Corso di Laurea Magistrale in
Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
A.A. 2012-2013
Telerilevamento e SIT
Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci
Architettura e funzionalità di una piattaforma GIS.
Prima parte: modellazione dei dati geografici
Architettura 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 data base
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
Funzionalità GIS
da banche dati, da rilievi in campagna, da cartografia
acquisizione dati
generazione dati geografici da rilievi aerei e da immagini
satellitari
conversione fra strutture di dati (raster-vector)
pre-elaborazione
georeferenziazione, generalizzazioni e riduzioni
conversioni fra sistemi di coordinate, ….
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, ..
Acquisizione e trattamento dei dati geografici
L’informazione geografica proveniente dal mondo reale può
essere gestita in ambiente GIS solo dopo un processo di astrazione
che prevede i seguenti livelli:
- descrizione secondo MODELLI
concettuali
interpretazione e analisi
concettuale della realtà
geografica e di fenomeni
territoriali
- organizzazione in STRUTTURE
elaborazione mediante
algoritmi matematici
di uso informatico
- traduzione in FORMATI digitali
lettura, interpretazione ed
elaborazione mediante
specifico software GIS
… sui modelli
Una strada può essere modellata come “area” compresa tra le linee di margine della
carreggiata, se l’obiettivo dell’analisi, ad esempio, è la sua manutenzione
o come “poligonale” se, ad esempio, si deve inserire in un grafo per lo studio della
mobilità.
…. sulle strutture
sono riconducibili a DUE tipologie:
vettoriale
raster
La scelta è legata a:
fonte del dato
(ad es.: dal rilevamento topografico vector; da immagini
satelliatri raster);
algoritmi e software specifici di elaborazione (analisi spaziali);
risultati che si vogliono conseguire
(ad es.: carte topografiche di precisione o di immediata
comprensione tematica).
MODELLAZIONE DEI DATI GEOGRAFICI
Una carta è una rappresentazione del territorio ottenuta attraverso
primitive geometriche caratterizzate da:
♦ posizione nello spazio
♦ attributi non spaziali
La cartografia si basa sulla modellazione di dati geografici: i dati vengono
memorizzati in formato elettronico secondo modelli e strutture ben definiti, che
consentono di produrre rappresentazioni grafiche più o meno efficaci dal punto
di vista concettuale e dell’interpretazione/interrogazione della carta stessa.
1) Quali informazioni desideriamo dedurre dagli archivi di dati geografici?
e quindi
2) Quali sono i modelli di dati che descrivono un certo aspetto/fenomeno
della realtà in funzione delle finalità della rappresentazione?
Categorie di dati tipiche dell'informazione geo-topo-cartografica:
Entità:
oggetti discontinui, delimitati da confini ben precisi; in ambito GIS le
entità vengono usualmente rappresentate mediante modelli vettoriali,
generalmente topologici, cui vengono associate tabelle di attributi.
Campi:
rappresentativi di fenomeni continui nel dominio di definizione, quali ad
esempio l'uso del suolo o l’altimetria del terrerreno; i campi vengono
discretizzati e rappresentati mediante matrici regolari di attributi (modello
matrix o raster georeferenziato)
In ambiente GIS l'informazione geografica deve supportare la modellazione di
aspetti del territorio più o meno complessi
(distribuzione di risorse
infrastrutturali, vulnerabilità sismica dell'edificato di una provincia, ..) o, nelle
applicazioni “dinamiche”, di fenomeni territoriali ad evoluzione spaziotemporale (rischio esondazioni, propagazione inquinanti aerei, mobilità di merci
e persone, …).
La modellazione dei dati geografici
dovrà essere coerente con le finalità
dell'applicazione (SIT)
ESEMPIO 1 - Sistema Informativo per l’Agenzia del Territorio
OBIETTIVI: associare le proprietà catastali ai rispettivi proprietari
Esempi di possibili interrogazioni
- Evidenziare tutte le particelle appartenenti a una Ditta
- Dare gli indirizzi e le dimensioni superficiali di tutte le particelle appartenenti ad una Ditta
- Trovare tutte le particelle adiacenti alle particelle del signor XY
- Verificare se due proprietari hanno particelle confinanti
- Dare le dimensioni di tutte le particelle che si affacciano su una data strada
PROBLEMA: quale modello di dati può rispondere alle esigenze
evidenziate?
Particelle = entità superficiali georeferenziabili tramite
coordinate dei punti che ne definiscono il perimetro
(posizionamento diretto) o indirizzo (posizionamento indiretto)
Sono importanti non solo le
le loro
posizioni degli oggetti (particelle) ma anche
relazioni con altri oggetti (altre particelle, strade, proprietari,...)
Relazioni topologiche tra entità grafiche e relazioni logiche
con il DB dei Proprietari
ESEMPIO 2 - Sistema Informativo per esigenze di Protezione Civile
OBIETTIVI: possibilità di indicare il percorso ottimale da seguire in funzione della
destinazione da raggiungere in un dato giorno e a una data ora.
Esempi di possibili interrogazioni
Individuare la centrale operativa da cui far partire i soccorsi
Trovare il percorso ottimale (in termini di tempo, distanza, minore vulnerabilità, ..)
Trovare un’alternativa di percorso a partire da un nodo del percorso (ad esempio per
l’impossibilità di proseguire per motivi imprevisti/imprevedibili).
Visualizzare la mappa delle esondazioni fluviali e le interferenze con la rete stradale
……
Strade = entità lineari interconnesse attraverso nodi
comuni
Origini/Destinazioni dei soccorsi = entità puntuali
la modellazione delle strade si baserà su primitive
vettoriali e sulla teoria dei grafi.
le aree interessate dalle esondazioni potranno
essere rappresentate mediante un modello raster
Sulla modellazione concettuale
E' la fase di analisi del contesto territoriale o del fenomeno di interesse,
che conduce alla selezione e descrizione delle entità e delle
mutue relazioni che lo caratterizzano.
Indipendente sia dal software che dall’hardware
ESEMPIO: analisi del rischio sismico di una strada
Strada: insieme di tronchi, identificati da nodi di inizio/fine, connessi tra
loro, su cui è possibile individuare manufatti sensibili (ponti, rilevati,
trincee, …) che possono essere identificati in punti aventi precise
coordinate cartografiche.
Applicazione del modello ENTITA'-RELAZIONI
(E-R)
Il formalismo del modello E-R si basa essenzialmente su:
entità e classi di entità; relazioni tra entità e classi di entità; attributi di
entità e relazioni; cardinalità delle relazioni.
ESEMPIO:
ENTITA’_ ciascun tronco o nodo o ponte, ….. è un’entità; la
strada, nel suo complesso, è un’entità..
CLASSE DI ENTITA’_ l’insieme dei tronchi compone la
classe dei tronchi stradali; l’insieme dei ponti compone
la classe dei ponti ; ….
RELAZIONI_ ciascuna strada è composta da 1 ad N
tronchi; ogni manufatto appartiene a un tronco; ogni
tronco collega due nodi, ….
ATTRIBUTI_ nome e lunghezza della strada; lunghezza
del tronco; altezza e tipologia del ponte, ….
CARDINALITA’_ numero minimo (0 o 1) e massimo
(N) di entità collegate da una relazione; sono quattro,
due per ogni verso della relazione.
DIAGRAMMA ENTITA' - RELAZIONE:
entità
Minima e massima cardinalità
STRADA
Nome
lunghezza
1 - N
Tronchi che
compongono
la strada
TRONCO
1 - 1
Lunghezza
0 - N
Ponti presenti
sul tronco
relazioni
1 - 1
PONTE
altezza
attributi
tipologia
DIAGRAMMA
ENTITA' - RELAZIONE:
MODELLAZIONE DEI DATI GEOGRAFICI
aspetto spaziale:
Componenti del dato
geografico:
geometria/topologia
aspetto semantico:
attributi statistici e/o
testuali
aspetto di qualità
Aspetto spaziale
L‘ aspetto geometrico delle entità geografiche è descritto mediante
elementi standard di base, detti primitive geometriche.
La geometria dipende dalla scala di rappresentazione (dettaglio e
approssimazioni rispetto alla "realtà").
La componente geometrica può essere:
• vettoriale (coordinate dei punti che descrivono la forma geometrica)
• raster (insieme di pixel corrispondenti al particolare oggetto)
Aspetto semantico
La componente semantica è data dall’insieme degli attributi di vario
dominio (numerico, stringa, …) associati alla parte geometrica del dato.
Aspetto qualità
L'aspetto di qualità è descritto mediante le seguenti categorie:
Accuratezza (veridicità del dato);
Completezza (esaustività in relazione alla scala di rappresentazione);
Aggiornamento (vicinanza temporale dell’acquisizione).
PRIMITIVE GEOMETRICHE VETTORIALI
Punto: è una primitiva geometrica 0-dimensionale, la cui posizione spaziale è
descritta da coordinate (posizionamento diretto)
Curva: è una primitiva geometrica limitata, continua, monodimensionale e può
essere chiusa o aperta.
Una curva è descritta da un metodo di interpolazione applicato ad una lista di due o
più posizioni dirette.
Una curva può intersecare se stessa:
- esplicitamente (nella lista delle coordinate ci sono uno o più valori ripetuti);
- implicitamente (il metodo di interpolazione applicato alla lista di coordinate dà
luogo al passaggio della curva due o più volte dalla stessa posizione spaziale).
Bordo: è un elemento chiuso monodimensionale non
intrecciato (né esplicitamente, né implicitamente); può
essere composto da una o più curve.
Superficie: è una primitiva geometrica limitata, continua, bidimensionale,
delimitata da un bordo esterno e da zero o più bordi (o confini) interni non
annidati e non intrecciati.
Caratteristiche del modello vettoriale
Il modello vettoriale è una struttura dati più complessa del raster. E’
necessario memorizzare esplicitamente le coordinate di ciascun vertice.
E' estremamente utile per descrivere fenomeni discreti (rete di
collegamento stradale o di distribuzione dell’energia elettrica), ma è
meno adatto per descrivere fenomeni continui, cioè fenomeni che
rappresentano un'unica grandezza che varia continuamente nello spazio
(temperatura, precipitazioni, quota, pendenza)
Presenta maggiori difficoltà di elaborazione
sovrapposizione (overlay) (es. linea su poligono)
nelle
operazioni
di
Caratteristiche del modello vettoriale
Dati rappresentabili nella loro forma e risoluzione originale,
senza applicare generalizzazioni.
La maggior parte dei dati geografici è disponibile in forma
vettoriale.
L’accuratezza nel posizionamento geografico dei dati viene
mantenuta.
Caratteristiche del modello vettoriale
Caratteristiche del modello vettoriale
Ciascuna entità territoriale di interesse (feature) viene rappresentata
mediante punti, linee, poligoni o combinazioni di questi elementi base.
La georeferenziazione delle varie entità territoriali avviene
associando a ciascun elemento base la corrispondente posizione
geografica.
Quindi un punto è memorizzato con
una coppia di coordinate (x,y);
la linea, in quanto insieme di punti,
come serie ordinata di coordinate;
le aree infine vengono codificate con
una serie di coordinate relative ai
segmenti di linea che racchiudono un
poligono.
PRIMITIVE GEOMETRICHE RASTER
Si basano su strutture (frame) con cui si partiziona lo spazio considerato
con forma e disposizione regolare.
Si hanno strutture bi o tridimensionali
Ogni elemento è definito dal
numero di riga, colonna (2D) e
strato (3D).
Definita l'origine del sistema di riferimento e dato un ordine di
numerazione lungo i tre assi, ogni elemento unitario nella struttura è
univocamente definito da tre numeri interi: numero di riga, numero di
colonna, numero di piano.
PRIMITIVE GEOMETRICHE RASTER
Griglia: è una distribuzione regolare di punti, derivabile dagli
angoli di tassellatura determinati da una struttura.
Una griglia è definita in accordo con la specifica struttura che
fornisce la posizione spaziale di ogni punto della griglia stessa.
Pixel:
primitiva geometrica bidimensionale
quadrata o rettangolare, elemento base
di una specifica struttura 2D.
La sua posizione spaziale è definita dal
numero di riga e di colonna.
Banda raster:
primitiva geometrica bidimensionale
costituita da una porzione limitata e
rettangolare di una specifica struttura
rettangolare bidimensionale.
Voxel: è una primitiva geometrica
tridimensionale, elemento base
per una specifica struttura a tre
dimensioni.
Blocco raster: è una primitiva
geometrica corrispondente ad una
porzione di una struttura a tre
dimensioni.
Caratteristiche del modello raster ( e GRID)
La posizione geografica di ogni cella è implicitamente individuata
dalla sua posizione nella matrice. La struttura richiede quindi
solo la memorizzazione delle coordinate di un punto origine
(normalmente l’angolo superiore sinistro).
Data la metodologia di memorizzazione dei dati, l’analisi dei dati
è facilmente implementabile e veloce da eseguire (si lavora
con matrici) .
La natura delle mappe raster, mappatura di un unico attributo, è
adatta alla modellazione matematica e all’analisi
quantitativa.
Caratteristiche del modello raster ( e GRID)
La posizione geografica di ogni cella è implicitamente individuata
dalla sua posizione nella matrice. La struttura richiede quindi
solo la memorizzazione delle coordinate di un punto origine
(normalmente l’angolo superiore sinistro).
Data la metodologia di memorizzazione dei dati, l’analisi dei dati
è facilmente implementabile e veloce da eseguire (si lavora
con matrici) .
La natura delle mappe raster, mappatura di un unico attributo, è
adatta alla modellazione matematica e all’analisi
quantitativa.
Modello adatto a visualizzare fenomeni che variano con
continuità (ad es. l’andamento del terreno o le variazioni
graduali di vegetazione)
La dimensione della cella determina la risoluzione con cui
vengono rappresentati i dati. Le unità geometriche di base
(punto,linea,poligono) vengono “espanse” su gruppi di pixel:
difficoltà di gestione della topologia e perdita di
risoluzione
Possibile migliorare la risoluzione utilizzando un maggior numero di
pixel a scapito di un notevole aumento di memoria richiesta per
l’archiviazione del modello.
Struttura semplice, consente di implementare le operazioni di
overlay con facilità ed efficienza
Ridondanza dei dati in zone in cui il valore dell’attributo mappato è
omogeneo
Poiché la maggior parte dei dati sono espressi in forma vettoriale, i
dati devono essere sottoposti ad una conversione vector-raster.
L’introduzione di tale ulteriore processo elaborativo può creare
problemi relativi all’integrità dei dati a causa dell’inevitabile effetto
di generalizzazione e di una eventuale scelta errata della
dimensione della cella.
punti celle
linee sequenze di celle
poligoni insiemi di celle
NOTA BENE
Per la corretta progettazione di una base di dati raster, è importante considerare il
rapporto tra la risoluzione geometrica e il minimo elemento rappresentabile.
L’area evidenziata copre una
superficia minima di ogni cella e
non verrà rappresentata.
L’area copre gran parte di un
numero significativo di celle per
essere rappresentata.
Celle
Celledididimensioni
dimensionipari
parialmeno
almenoalla
allametà
metàdella
dellalunghezza
lunghezzadel
delpiù
piùpiccolo
piccoloelemento
elemento
lineare
lineareda
darappresentare
rappresentareooad
adun
unquarto
quartodell’area
dell’area (elementi
(elementipoligonali)
poligonali)
Confronto raster-vector
In alto a sinistra
RELAZIONI SPAZIALI TRA ENTITA’ GEOGRAFICHE
L‘ analisi di una carta consente di:
• avere una conoscenza del territorio sia puntuale (basata sull'osservazione
di ogni singolo oggetto) che generale (visione d'insieme);
• sviluppare processi logici di tipo deduttivo e induttivo in funzione di
relazioni di concomitanza, vicinanza, frequenza,...;
Le relazioni spaziali tra entità geografiche rintracciabili su una carta
possono essere classificate in vari modi.
Una distinzione è quella tra le relazioni che sono indipendenti
dall’orientamento, dette RELAZIONI TOPOLOGICHE, e quelle che ne
dipendono, dette RELAZIONI DIREZIONALI.
TOPOLOGIA
E’ la disciplina matematica che si occupa di connessione e adiacenza
di punti e linee e che permette quindi di analizzare le relazioni
spaziali tra dati geografici.
Un qualsiasi aggiornamento della carta dovrà
rispettare i vincoli topologici imposti alle varie
entità geografiche coinvolte.
Per garantire la
consistenza della
rappresentazione si
devono introdurre
vincoli e relazioni di
tipo non metrico
(relazioni spaziali)
La topologia è invariante per deformazioni elastiche e continue (ad
esempio trasformazioni di datum o di sistema di coordinate) ed è descritta
attraverso primitive o relazioni topologiche.
RELAZIONI
RELAZIONI TOPOLOGICHE
TOPOLOGICHEtra
traentità
entitàgeografiche:
geografiche:
--equivalenza
equivalenza(si
(sisovrappone
sovrapponecompletamente);
completamente);
--equivalenza
equivalenzaparziale
parziale(si
(sisovrappone
sovrapponeparzialmente,
parzialmente,attraversa);
attraversa);
--contenimento
contenimento(è
(èinterna);
interna);
--adiacenza
adiacenza(è
(èconnessa
connessaooincontra);
incontra);
--separatezza
separatezza(è
(èdisgiunta)
disgiunta)
RELAZIONI
RELAZIONI DIREZIONALI
DIREZIONALItra
traentità:
entità:
--di
difronte
fronteaa
--dall’altra
dall’altraparte
partedi
di
--sopra
sopra
--sotto
sotto
--aadestra
destra
--aasinistra
sinistra
--descrizioni
descrizionimetriche
metrichedi
diangoli
angoliazimutali
azimutali
Si
Si hanno
hanno anche
anche relazioni
relazioni di
di vicinanza
vicinanza che
che descrivono
descrivono lala distanza
distanza tra
tra entità
entità
geografiche
sia
in
termini
metrici
quantitativi
(misura
della
distanza)
che
in
termini
geografiche sia in termini metrici quantitativi (misura della distanza) che in termini
qualitativi,
qualitativi,mediante
mediantetermini
terminiquali
quali
--vicino
vicino
--lontano
lontano
--in
inprossimità
prossimitàdi
di
Relazioni
Relazioni topologiche,
topologiche, direzionali
direzionali ee di
di vicinanza
vicinanza sono
sono spesso
spesso
utilizzate
utilizzate in
incombinazione
combinazione tra
tra loro
loro
Esempio
Topologiche
b è interno a c
a è connesso a c
d è disgiunto da a
f è sovrapposto a e
Direzionali
g a est di b
d a nord di g
Vicinanza
a vicino a b
f lontano da a
Topologia di strutture vettoriali
Relazione tra le diverse entità geografiche
Organizzazione dei dati geografici in livelli o strati informativi
Tre diverse topologie:
- totalmente poligonale
- arco-nodo
- relazionale
Struttura poligonale
Ogni strato informativo è costituito da poligoni indipendenti, ciascuno definito
dalla successione dei vertici che ne definiscono il perimetro.
ID
coordinate
1
(E,N), (E,N), (E,N), …
2
(E,N), (E,N), (E,N), …
N
(E,N), (E,N), (E,N), …
.
Ad ogni poligono possono
essere associati dati descrittivi
Ogni linea di contorno viene memorizzate due volte, per ciascuno dei poligoni adiacenti
LIMITI:
- NO analisi spaziali;
-Ridondanza (linee doppie)
-difficoltà di modifica e aggiornamento
VANTAGGI:
- semplicità ed economia di memoria;
- efficienza e velocità di accesso e
consultazione (grandi DB).
Struttura arco-nodo
5
Organizzazione gerarchica degli
oggetti per punti, linee e poligoni
(entità geometriche elementari)
d
3
c
B
Poligono (territorio provinciale)
.., .., .., ..,
B
a,b,c,e,d
A
11
D
b
C
.
S
9
a
ID linee
A
E
e
2
ID
4
Punto
.., .. , .., ..,
ID
coordinate
Linea (confine)
1
(E,N)
ID
nodo iniz.
2
(E,N)
d
5
4
.
e
2
5
N
--
--
nodo fin.
-q
(E,N)
6
Struttura relazionale
Nella topologia relazionale le informazioni topologiche e quelle
descrittive sono memorizzate in strutture separate.
Le informazioni descrittive sono contenute in tabelle che vengono a
costituire un database relazionale.
Ogni
Ogni riga
riga rappresenta
rappresenta un
un elemento
elemento geografico,
geografico, didi cui
cui vengono
vengono memorizzati
memorizzati
attributi
attributi direttamente
direttamente calcolati/assegnati
calcolati/assegnati dal
dal sistema
sistema (identificativo,
(identificativo,
coordinate,
coordinate,dimensioni,
dimensioni,..)
..)eegli
gliattributi
attributidescrittivi
descrittivididiinteresse.
interesse.
VANTAGGI:
- possibilità offerte dai database relazionali di connessione diretta, attraverso
attributi relazionali, ad altre tabelle di informazioni o di altri database;
- standard per i GIS finalizzati ad analisi spaziali.
Esempio di struttura topologica
