cenni di cartografia

Introduzione ai Sistemi Informativi
Geografici – ASL 2017
Augusto Frascatani
COSA S’INTENDE PER GIS
• Geographic Information System (GIS) è un
sistema progettato per ricevere, immagazzinare,
elaborare, analizzare, gestire e rappresentare dati
di tipo geografico
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COSA S’INTENDE PER GIS
• Sistema Informativo Territoriale (SIT) è la
traduzione italiana di GIS che meglio si avvicina al
concetto del GIS
La traduzione non è proprio esatta: territorium
(latino) artefatto sociale derivato dai processi umani
di territorializzazione – antropizzazione.
Il termine inglese Geographic è più completo
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COSA S’INTENDE PER GIS
• Un potente strumento per archiviare ed elaborare a
piacere trasformare e visualizzare dati spaziali dal
mondo reale per particolari finalità
(Peter Alan Burrough, 1986)
Burrough: laurea chimica organica Oxford, appassionato di pedologia, critica metodo per
sondaggi terreno senza riferimento quantitativo, diventa docente di geografia, trasferito in
Olanda inizia studi di frattali, geostatistica, propagazione errori, logica fuzzy.1984 diventa
professore Università Utrecht in geografia fisica e sistemi informazione geografica
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COSA S’INTENDE PER GIS
• Un tipo di sistema informativo dove il database
consiste di osservazioni su dati spaziali distribuiti,
attività od eventi che sono definiti nello spazio
secondo punti, linee o aree.
Il Sistema elabora dati su questi punti, linee o aree
per recuperare dati per interrogazioni ed analisi
dedicate (Duecker K.J., 1979);
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COSA S’INTENDE PER GIS
• Un modello spaziale di archiviazione ed
elaborazione di dati,
eventi ed attività spaziali,
finalizzato all’interpretazione del paesaggio,
dal sito al territorio,
dal costruito all’insediato,
dalla microscala alla macroscala
(Forte M., 2002);
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COSA S’INTENDE PER GIS
• GIS = sistema automatizzato per dati spaziali per
ACQUISIRE
RAPPRESENTARE
ANALIZZARE
IMMAGAZZINARE
RECUPERARE
Dati spaziali: posizione, forma, dimensioni, proprietà topologiche
Dati non spaziali: dati descrittivi associati alla componente spaziale
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COSA S’INTENDE PER GIS
• E’ un sistema hardware e software che gestisce
tabelle di dati ed elementi grafici consentendo di
catturare, manipolare, conservare dati che hanno
riferimenti geografici o spaziali.
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COSA S’INTENDE PER GIS
Marble, 1990
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GEOREFERENZIARE
•
Requisito fondamentale per applicare tutte le
funzioni GIS :
tutti i layers siano perfettamente sovrapposti in
un’unica ed univoca locazione geografica
-> tutti i dati devono essere georeferenziati
ovvero devono essere dotati di coordinate
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GEOREFERENZIARE
Dati georeferenziati:
attribuire ad ogni elemento il
SISTEMA DI COORDINATE spaziali reali
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GEOREFERENZIARE
Sistema di coordinate:
sferoide di riferimento,
datum,
proiezione e unità di misura
Datum: sistema geodetico di riferimento che consente di definire in termini matematici la posizione di punti sulla superficie della Terra
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GEOREFERENZIARE
•
2 Sistemi di coordinate:
1.
Geografiche:
sistema di riferimento: coordinate sferiche ->
longitudine e latitudine
2.
Piane:
dati geografici proiettati in sistema di coordinate
piane o cartesiane -> è difficile fare misurazioni in
coordinate sferiche
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Proiezioni e sistemi di coordinate
Argomento sviluppato tra qualche slides
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LA STRUTTURA DEL GIS
• Nel GIS può essere inserito e rappresentato ogni
elemento spazialmente identificabile e codificabile,
come:
1.
2.
3.
4.
Territori
Città
Strade, fiumi
POI
-> area
-> punti o aree
-> linee
-> punti
POI: point of interest
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LA STRUTTURA DEL GIS
• Il GIS viene solitamente rappresentato come una
struttura a più livelli di tematismi cartografici, o
come si è soliti dire un sandwich a più strati
sovrapponibili nello stesso sistema spaziale.
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LA STRUTTURA DEL GIS
• Gli strati sono trasparenti e modificabili e
comprendono qualunque tipo di informazione
spaziale:
foto aeree,
dati geofisici e da satellite,
tematismi cartografici, database e qualunque tipo di
informazione rappresentabile in coordinate spaziali
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LA STRUTTURA DEL GIS
Fonte:ESRI
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COME LAVORA UN GIS
• Collega elementi cartografici a tabelle attributo ->
proprietà fondamentale del metodo di lavoro di un GIS
• Localizza elementi dalla mappa o dagli attributi
• Gestisce insiemi di elementi e attributi come layers ->
insieme di elementi geografici della stessa tipologia
logica e geometrica, collegati ai loro attributi
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COMPONENTI DEI DATI GEOGRAFICI IN UN GIS
• Tre componenti generali per le informazioni
geografiche
Geometria
Attributi
Regole
I monumenti
importanti
stanno nel
Centro Storico
della città
Dati spaziali -> componente
Informazioni associate ad
geometrica della realtà
ogni elemento
geografica. Descrivono
univocamente la posizione degli
oggetti in un sistema di
riferimento
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Regole precostituite
di gestione degli
elementi geografici
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COME LAVORA UN GIS
Collega elementi cartografici a tabelle attributo ->
Attributi:
informazioni
che
descrivono
gli elementi
cartografici
ad essi
associate.
Registrate in
un db
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Elementi:
oggetti sulle
mappe.
Hanno
posizione,
forma
rappresentativa
e simbolo
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COME LAVORA UN GIS
Collega elementi cartografici a tabelle attributo ->
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COME LAVORA UN GIS
Collega elementi cartografici a tabelle attributo ->
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COME LAVORA UN GIS
Localizza elementi dalla mappa o dagli attributi
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COME LAVORA UN GIS
Gestisce insiemi di elementi e attributi come layers -> insieme di elementi
geografici della stessa tipologia logica e geometrica, collegati ai loro attributi
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
• I dati, all’interno di un GIS sono memorizzati
tipicamente secondo:
1. Database alfanumerici
2. Dati raster
3. Dati vettoriali
4. Dati testuali
5. Dati ASCII (dati testuali codificati in tabelle)
• A queste classi storiche dell’evoluzione del GIS, si
affiancano progressivamente anche dati di tipo
multimediale, come filmati, panorami virtuali ottenuti
da fotografie, documenti e immagini.
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
Database alfanumerici
Entità geografiche: 4 caratteristiche
1) Identificatore (ID)
2) Localizzazione
3) Dimensione
4) Attributo
I dati sono in forma tabellare:
- ogni riga (record) è una entità
- ogni colonna (field) è una caratteristica
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
Database alfanumerici
Esempio: Comune di Roma
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
Database alfanumerici
Identificatore
Localizzazione
Dimensione
Attributo
Esempio: Comune di Roma
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
Database alfanumerici
shp: shape (forma) include parte grafica e cartografica
dbf: memorizza gli attributi dello shape
shx: collega ogni shape agli attributi
Esempio: Comune di Roma
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
Database alfanumerici
I dati possono essere contenuti su più tabelle ma
tutte le tabelle devo riferirsi alla stessa entità
 uso degli identificatori o elementi comuni in cui ci
sia almeno un FIELD riconosciuto
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
Database alfanumerici
Quando una tabella base fa riferimento ad una
tabella ‘esterna’, nella tabella base vi sono
generalmente i riferimenti geografici, nella tabella
‘esterna’ vi sono generalmente gli attributi.
Le relazioni tra le due tabelle (una geografica e una
attributi) possono essere 1 a 1 o 1 a molti
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
Database alfanumerici
Relazione 1 a 1: (corrispondenza biunivoca – unica tabella)
Studente1 = matricola1
Relazione 1 a molti o molti a 1:
Studente1
Studente2
….
Studente (n)
Facoltà
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LE TIPOLOGIE DI DATI GIS
Database alfanumerici
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DATI RASTER
• I dati Raster sono memorizzati mediante la creazione
di una griglia regolare, in cui ad ogni cella (coordinate
X,Y), ossia un pixel (picture element), viene attribuito
un valore da 0 a 255
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DATI RASTER
• Valore del pixel: grado di intensità luminosa (per foto
aeree o da satellite) che riflette una regione della
superficie terrestre o si riferisce a fenomeni come le
informazioni sull’uso del suolo o l’elevazione del
terreno.
• Si possono rappresentare aree secondo insiemi di
celle adiacenti con lo stesso valore (celle con lo stesso
colore).
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DATI RASTER
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DATI RASTER
• Esistono tre elementi importanti che caratterizzano i
dati raster:
• A) la risoluzione
• B) la compressione
• C) la registrazione
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DATI RASTER
Risoluzione:
dipende dalla fonte dei dati
(immagine satellitare, foto aerea, scansione, griglia
per analisi territoriale, ecc.)
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DATI RASTER
Compressione:
• capacità di comprimere i dati raster:
• memorizzare il numero dei pixel uguali
• ES: considerata una figura in bianco (B) e nero (N),
piuttosto che rappresentare la prima riga di un
foglio con NBBNNBBBBNNBNBB, questa è,
appunto, compressa memorizzandola come
1N2B2N4B2N1B1N2B
• La memoria necessaria a gestire un’immagine sarà
ridotto di più della metà
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DATI RASTER
Compressione:
1N2B2N4B2N1B1N2B
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DATI RASTER
Registrazione:
Tecnica necessaria per georeferenziare e raddrizzare
(ortogonalizzare)
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DATI VETTORIALI
• I dati vettoriali sono costituiti da elementi semplici
quali punti, linee e poligoni, codificati e memorizzati
sulla base delle loro coordinate
• Un punto viene individuato in un sistema
informativo geografico attraverso le sue coordinate
reali (x1, y1);
una linea o un poligono attraverso la posizione dei
suoi nodi (x1, y1; x2, y2; ...). A ciascun elemento è
associato un record del database informativo che
contiene tutti gli attributi dell'oggetto rappresentato
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DATI VETTORIALI
Sequenza delle coordinate dei punti
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DATI VETTORIALI
• I dati vettoriali provengono da digitalizzazione di
cartografie, mappe di scavo, rilievi topografici
ottenuti tramite CAD e GPS
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RASTER E VETTORIALE
• Raster e vector: entrambe le piattaforme possono
trattare e importare qualunque classe di dati.
• La differenza sostanziale risiede nelle modalità
operative
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RASTER E VETTORIALE
• Formato raster gestisce bene dati tematici. Questi
sistemi necessitano di maggiore potenza hardware
e di calcolo, in quanto registrano le informazioni in
base alle celle della griglia. Sono prevalentemente
orientati all’analisi e all’elaborazione.
• Formato vettoriale per strutture complesse di
relazioni fra le informazioni descrittive legate agli
oggetti rappresentativi del territorio. Ideali per la
gestione cartografica e dei database, con grandi
potenzialità di interrogazione, gestione e
visualizzazione di dati georeferenziati
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DATI RASTER E DATI VETTORIALI
MONDO REALE
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DATI RASTER E DATI VETTORIALI
MONDO REALE E VETTORIALE
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DATI RASTER E DATI VETTORIALI
VETTORIALE
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DATI RASTER E DATI VETTORIALI
GRIGLIA
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DATI RASTER E DATI VETTORIALI
GRIGLIA - RASTER - VETTORIALE
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DATI RASTER E DATI VETTORIALI
SOLO RASTER
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DATI RASTER E DATI VETTORIALI
RASTER
VETTORIALE
MONDO
REALE
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SCALA DELLA MAPPA
• Per rappresentare una parte di superficie terrestre
su di una mappa, l’area deve essere ridotta. La
misura di questa riduzione è espressa come
rapporto -> “scala della mappa” -> rapporto di una
distanza sulla mappa con la distanza reale
• Grande scala: piccole aree, alta precisione spaziale
maggiore dettaglio
• Piccola scala: grandi aree, bassa precisione
spaziale, minore dettaglio
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SCALA DELLA MAPPA
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SCALA DELLA MAPPA
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SCALA DELLA MAPPA
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SCALA DELLA MAPPA
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SCALA DELLA MAPPA
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SCALA DELLA MAPPA
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SCALA DELLA MAPPA
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• La rappresentazione cartografica consente di
riprodurre le caratteristiche del territorio (reale) su
un supporto gestibile (mappe)
• Il territorio, in qualunque scala lo si voglia
rappresentare, è comunque ‘tondo’ e la carta è
bidimensionale
• Da superficie tonda a superficie piana si generano
deformazioni
• Sulla base di ciò che si intende visualizzare è
possibile minimizzare le deformazioni
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CENNI DI CARTOGRAFIA
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CENNI DI CARTOGRAFIA
Se la Terra
fosse una
sfera ….
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CENNI DI CARTOGRAFIA
Geoide, elissoide e
superficie topografica
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Il geoide è la forma geometrica che tiene conto
dello sferoide (superficie tridimensionale ottenuta
per rotazione di un'ellisse attorno ad uno dei suoi
assi principali) e delle variazioni di gravità
• E’ la superficie equipotenziale del campo
gravitazionale passante per il livello medio dei mari
• La superficie del geoide è sempre perpendicolare al
‘filo a piombo’
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CENNI DI CARTOGRAFIA
1 - Oceano
2 - Elissoide
3 - filo a piombo
4 - Continente
5 - Geoide
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CENNI DI CARTOGRAFIA
•
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CENNI DI CARTOGRAFIA
Differenza tra il geoide e l’ellissoide
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• L’ellissoide approssima la superficie e la forma della
Terra
• Non è unico …!
Bessel(1841) Clarke(1880) Helmert(1906)
Hayford(1909) Krassovsky(1942) WGS84 (1984)
• Può anche essere locale (consente precisione
massima in ambito locale), purché sia fissato un
punto di origine e di orientazione
• Ovviamente lo stesso punto avrà coordinate
differenti
• Necessità di un unico datum mondiale con origine
centro Terra: WGS84
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• La verticale geometrica all’ellissoide può non
coincidere con la verticale (filo a piombo) al geoide.
L’angolo formato è la deflessione
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Il DATUM è un tipo di ellissoide con le sue
caratteristiche e la sua posizione rispetto al geoide
• Il Datum deve coincidere per un’area circoscritta
con il geoide in un particolare punto detto punto di
emanazione e si stabilisce la ‘direzione di
emanazione’ per fissare il sistema di riferimento
dell’ellissoide
• Un ellissoide così orientato approssima molto bene
la superficie terrestre per un intorno molto vasto
delle dimensioni di una regione o uno Stato
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CENNI DI CARTOGRAFIA
Due tipi di datum:
• Datum locali: accostano l’ellissoide di riferimento
alla superficie terrestre in un punto particolare per
migliorare localmente l’accuratezza del modello
• Datum globali, che sono orientati al centro della
Terra e sono utilizzati per funzionare globalmente
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• WGS84 (Datum globale)
World GeodeticSystem 84 usa un proprio ellissoide (WGS84); è
usato dalla rete di rilevamento satellitare GPS
• ED50 (Datum locale)
European Datum1950 (ED50) usa l’ellissoide internazionale 1924
(Hayford), è orientato a Postdam(Germania) ed è stato creato per
l’uso in Europa; è il datum utilizzato nella produzione cartografica
IGM recente
• ROMA40 (Datum locale)
Roma 1940 usa l’ellissoide internazionale di Hayforded è
orientato a Monte Mario (Roma); è il datum utilizzato nella
produzione cartografica IGM fino alla fine degli anni ’80, e ancora
in uso nella Cartografia Tecnica Regionale
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Le coordinate geografiche si misurano in
longitudine e latitudine, cioè angoli misurati in gradi,
dal centro della Terra ad un punto della superficie
dell’ellissoide.
Gli assi del sistema di riferimento sono l’equatore e
il meridiano fondamentale
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Le coordinate cartesiane si basano su un sistema
di due assi ortogonali (x, y)
La localizzazione di un punto è dato
dall’intersezione dei due valori.
Gli assi di riferimento sono l’equatore e un
meridiano fondamentale
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Le coordinate geografiche (λ, φ) e quelle cartesiane
(x, y) sono misurate sulla superficie dell’ellissoide di
riferimento
La quota (h o z) (altimetria) è misurata a partire
dalla superficie del geoide (livello medio marino)
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Paralleli
Linee di intersezione con la superficie terrestre di piani
perpendicolari all’asse terrestre
Linee che uniscono punti con identico valore di
latitudine
• Meridiani
Linee di intersezione con la superficie terrestre di piani
contenenti l’asse terrestre e passanti per i poli
Linee che uniscono punti con identico valore di
longitudine
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Le coordinate geografiche sono coordinate
ellissoidiche, perciò “sferiche” perché designano la
posizione dei punti su una superficie ellissoidica.
Latitudine e longitudine vengono misurate in gradi e
frazioni di grado (gradi sessagesimali g°m’s’’o
decimali g.ms)
Tutti i punti che si trovano sull’Equatore hanno
latitudine 0, mentre il valore massimo possibile per
la latitudine nord o sud è 90 ai poli
Tutti i punti del meridiano iniziale hanno longitudine
0°ed il valore massimo possibile si ha
sull’antimeridiano corrispondente che ha longitudine
180°
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• La latitudine geografica è la distanza angolare di
un punto (P) dall'equatore misurata lungo il
meridiano che passa per quel punto (angolo sotteso
dall’arco di meridiano che unisce il punto
all’equatore).
Si misura verso nord o verso sud, da 0°a 90
• La longitudine geografica di un luogo (P) è
l'angolo tra il meridiano del luogo e il meridiano
fondamentale (Greenwich-UTM) (angolo sotteso
dall’arco di parallelo che unisce il punto al
meridiano fondamentale).
Si misura verso est o verso ovest, da 0 a 180°
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CENNI DI CARTOGRAFIA
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• I meridiani ed i paralleli non sono linee rette
equidistanti né formano un reticolo
È necessario un reticolato ortogonale ed
equidistante: il sistema di coordinate piane.
Il sistema di coordinate piane oggi maggiormente
utilizzato è il reticolato chilometrico che si riferisce
alla proiezione universale trasversa di Mercatore
(UTM).
Il reticolato italiano si riferisce alla proiezione di
Gauss-Boaga, ellissoide internazionale, anche se in
molte carte topografiche italiane alla scala 1:25.000
sono indicati entrambi i tipi di reticolato (UTM e
Gauss-Boaga)
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• I meridiani ed i paralleli non sono linee rette
equidistanti né formano un reticolo
È necessario un reticolato ortogonale ed
equidistante: il sistema di coordinate piane.
Il sistema di coordinate piane oggi maggiormente
utilizzato è il reticolato chilometrico che si riferisce
alla proiezione universale trasversa di Mercatore
(UTM).
Il reticolato italiano si riferisce alla proiezione di
Gauss-Boaga, ellissoide internazionale, anche se in
molte carte topografiche italiane alla scala 1:25.000
sono indicati entrambi i tipi di reticolato (UTM e
Gauss-Boaga)
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CENNI DI CARTOGRAFIA
I principali tipi di proiezione sono:
a: cilindrica; b: conica; c: zenitale o azimutale
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CENNI DI CARTOGRAFIA
Queste proiezioni mantengono forma e scala costante
solo sul punto (o lungo la linea) di tangenza
in a l'equatore,
in b è un parallelo,
in c è un polo
allontanandosi aumenta la distorsione
a: cilindrica; b: conica; c: zenitale o azimutale
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Una tipo di proiezione importante è la proiezione
cilindrica trasversa in cui cilindro di proiezione è
tangente ad una coppia di meridiani invece che
all'equatore in tal modo mantiene forma e scala
lungo il meridiano di tangenza
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CENNI DI CARTOGRAFIA
• Questa proiezione è alla base del sistema UTM (Universale
Trasversa di Mercatore):
sistema di 60 proiezioni cilindriche trasverse lungo meridiani a
distanza di 6 gradi di longitudine
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