Progettazione dei Sistemi Territoriali Laurea Magistrale in Sociologia Laurea Magistrale in Turismo e Comunità Locale I GIS nella progettazione urbana: l’importanza dello spazio nelle scienze sociali. Gli strumenti. Marco Mauri Università di Milano - Bicocca [email protected] Milano, 11 febbraio 2010 1 1. 2. 3. strumento di indagine: tecniche per il rilevamento empirico e l’interpretazione delle qualità differenziali dei luoghi e dell’immaginario collettivo COMPETENZA ANALITICA strumento di comunicazione: possibilità di individuare le tendenze dei procesi di trasformazione in atto e di fare delle previsioni sulle possibili dinamiche future COMPETENZA SINTETICA strumento di monitoraggio: valutazione delle linee di sviluppo che si è scelto di seguire COMPETENZA VALUTATIVA 2 GIS (Geographical Information System): sistema informatizzato in grado di immagazzinare (e trattare) dati descrittivi del mondo reale (dati geografici) strumento di misura specificamente progettato per l’analisi di dati nello spazio un insieme organizzato di hardware, software, dati, procedure e persone preposto ad acquisire, immagazzinare, aggiornare, elaborare, analizzare, visualizzare e restituire tutti i tipi di informazione di natura “geo-riferita” nella forma di rappresentazioni cartografiche un sistema di supporto alle decisioni che inserisce informazioni geo-referenziate all’interno dei processi di risoluzione dei problemi 3 • • COMPRENSIONE DEI FENOMENI SOCIALI ELABORAZIONE DI ADEGUATE POLITICHE DI INTERVENTO 4 LA “G” IN GIS: la componente geografica • si introduce la dimensione dello spazio nel database “tradizionale” • principi scientifici delle rappresentazioni cartografiche • la geo-referenziazione delle informazioni consente la visualizzazione delle relazioni nello spazio dei fenomeni oggetto di studio e la loro analisi con metodi quantitativi “Gis were largely developed with traditional geography in mind […] These systems are further limited by the map data model, consisting of points, lines, and polygons. This model assumes that all data can be linked to a very specific, discrete location and that lines can be drawn to explicity delineate the boundary between data categories” (Steinberg & Steinberg, 2006, p. 14). 5 LA “I” IN GIS: le informazioni • • • le informazioni di cui un GIS necessita devono necessariamente possedere una locazione spaziale i GIS sono da considerare sistemi completi per la creazione di banche dati relative al territorio struttura e gestione delle basi di dati “the information aspect of GIS is the easy part because almost everyone working in social sciences is already familiar with the process of collecting and coding data” (Steinberg & Steinberg, 2006, p. 13). 6 LA “S” IN GIS: il sistema • integrazione delle diverse componenti che caratterizzano un GIS • i GIS necessitano di una combinazione di strumentazione hardware e software (di base; per la gestione di database; per la gestione di dati territoriali) • architetture hardware con relazioni client-server (LAN, WAN, Internet) “almost all information researchers collect about people, their communities and their environment can be tied to a geographic location” (Steinberg & Steinberg, 2006, p. 10). 7 • Come lavora un GIS - collega elementi cartografici (geographical features) a tabelle di attributi - accede agli attributi di qualsiasi elemento della carta geografica - localizza qualsiasi elemento in funzione dei suoi attributi - gestisce insiemi di elementi geografici e attributi come temi (strati informativi, layers) 8 • Gli strati informativi (layers) – si attua una scomposizione della realtà – collezione di primitive geometriche dello stesso tipo concernenti uno specifico fenomeno reale – la sovrapposizione di layers diversi permette di rivelare le relazioni esistenti tra diversi oggetti spaziali (rappresentati in mappa dalle primitive geometriche stesse o da immagini raster) un GIS risponde a domande sul territorio, confrontando in modo integrato strati informativi diversi 9 modello digitale del terreno grafo stradale cartografia tematica (numerazione civica) aerofotogrammetrico dell’edificato carta di uso del suolo cartografia di base (CTR raster) 10 L’informazione geografica, così come si presenta nel mondo reale, per poter essere utilizzata all’interno di un GIS, deve; 1. essere interpretata e semplificata secondo criteri individuati da specifici modelli; 2. organizzata in strutture informatiche elaborabili da algoritmi matematici; 3. resa disponibile in formati digitali che i software possano leggere. 11 1. Modelli di dati geografici “Il modello dati è un’astrazione della realtà […] è un insieme di costrutti che descrivono e rappresentano particolari aspetti del mondo reale in un computer” (Biallo, 2005, p. 34). • i dati contenuti nei GIS sono dei modelli del mondo reale progettati per evidenziare solo determinati aspetti della realtà, quelli utili alle nostre analisi • il modello serve a definire la base di dati in funzione degli obiettivi che il sistema deve raggiungere • il modello deve rappresentare il mondo reale: – come dati manipolabili con strumenti gestionali; – come dati che siano visualizzabili in forma cartografica; – come dati ai quali si possano applicare metodi di analisi spaziale. 12 a. modello concettuale • percezione della realtà • la modellazione del mondo reale passa attraverso: 1. 2. 3. • l’identificazione delle entità che definiscono i fenomeni di nostro interesse; l’identificazione degli attributi, anche spaziali, che ne descrivono le caratteristiche rilevanti; l’identificazione delle relazioni spaziali e della topologia (connettività – intersezione, adiacenza, inclusione) dei fenomeni. è indipendente dall’hardware e dal software 13 b. modello logico • descrive le entità e le relazioni definite nel modello concettuale in modo orientato all’implementazione del sistema = rappresentazione della realtà funzionale all’informatizzazione dei dati • è espresso in forma di diagrammi e liste che forniscono una rappresentazione logica delle entità e delle relazioni • dipende dal software specifico che si vuole utilizzare (modello “object-relational” dei più comuni software GIS e DBMRS) • non dipende dall’architettura hardware del sistema 14 entità persona edificio comune c.f. attributi persona nome relazioni persona possiede edificio 15 c. modello fisico • descrive in dettaglio i file, gli archivi e le tabelle e definisce le relazioni tra tabelle • specifica i nomi e le dimensioni degli attributi • specifica la struttura e la topologia degli attributi geometrici • questo modello viene descritto nei “metadati” che accompagnano i files 16 Le unità di osservazione spaziale • i fenomeni del mondo reale tradotti in entità GIS prendono comunemente il nome di oggetti (“filtro” attraverso il quale si osserva e si descrive la realtà territoriale oggetto di studio) • è possibile ascrivere questi oggetti a poche semplici classi geometriche (unità atomiche o primitive) • gli oggetti base utilizzati nei GIS per la rappresentazione spaziale dei fenomeni sono: il punto, la linea, l’area o poligono (assimilabile ai poligoni ci sono le griglie) • la scelta del tipo di rappresentazione è legata alle proprietà spaziali dei singoli oggetti e deve essere funzionale al tipo di analisi che vogliamo effettuare ed alla memorizzazione su calcolatore 17 Proprietà delle primitive geometriche • punto: – oggetto adimensionale e privo di forma – specifica la localizzazione di un fenomeno nello spazio • linea: – oggetto unidimensionale – specifica la posizione, direzione e lunghezza di un fenomeno del mondo reale • poligono: – oggetto bidimensionale – rappresenta superficie e morfologia delle strutture territoriali 18 2. La struttura dei dati geografici • dipende dalla modalità di reperimento del dato (cartografia numerica; sistemi di rilevamento) • dipende dalle potenzialità del software GIS che intendiamo incorporare nel nostro Sistema Informativo Territoriale • dipende dalle elaborazioni che si vogliono eseguire • dipende dai risultati che si vogliono ottenere 19 2. La struttura dei dati geografici • La struttura vettoriale o a oggetti – fenomeni del mondo reale dalla natura discreta, circoscrivibili in uno spazio ben definito – sono rappresentati in mappa da oggetti geometrici localizzati nello spazio mediante un sistema di coordinate (primitive o entità geometriche principali: punti, linee, poligoni) – a ciascun oggetto possono essere associati diversi attributi attraverso tabelle fisicamente connesse agli oggetti stessi – principali elaborazioni dei dati: • • • • overlay topologico; creazione aree di rispetto; analisi di rete; elaborazioni sulle banche dati descrittive. 20 21 22 23 2. La struttura dei dati geografici • La struttura raster o a superfici continue – fenomeni del mondo reale che si distribuiscono in modo continuo nello spazio – sono rappresentati in mappa utilizzando una griglia regolare di celle che coprono interamente lo spazio – ad ogni cella è associato il valore di un attributo dello spazio in quel punto attraverso tabelle fisicamente connesse a ciascuna cella – principali elaborazioni dei dati: • modelli di calcolo sulla cella; • interpolazione di punti; • analisi 3D. 24 25 26 2. La struttura dei dati geografici • Le mappe tridimensionali – DTM = Digital Terrain Model – DEM = Digital Elevation Model – TIN = Triangulated Irregular Network – curve di livello o isolinee – estrusione degli oggetti vettoriali poligonali nella terza dimensione (2.5D) 27 http://egsc.usgs.gov/is b/pubs/teacherspackets/mapshow/de m.html 28 http://www.extension.umn.edu/distribution/naturalresources/components/DD6097sz.html 29 • I dati descrittivi o attributi dei dati geografici – dati alfanumerici relazionati ai dati geografici e organizzati in basi di dati (“tabelle degli attributi”) – le tabelle sono flies di database organizzate per records (righe) e campi (colonne) – le tabelle possono essere collegate ai dati geografici in modo permanente o temporaneo secondo modalità definite: • “uno a uno”; • “uno a molti”; • “molti a molti”. 30 31 3. I formati • struttura fisica usata per immagazzinare i dati in un file (nome o sigla che spesso corrisponde all’estensione del file stesso); i formati possono essere distinti in: – ASCII, usati per trasferire facilmente dati da un formato proprietario ad un altro; – proprietari, studiati dalle case produttrici e strutturati ad hoc per certi software GIS; – metaformati (o di scambio), come gli ASCII non sono direttamente utilizzabili dai prodotti software ma servono esclusivamente per il trasferimento dei dati da un sistema ad un altro. 32 L’utilizzo dei GIS nella ricerca sociale • il GIS può essere utilizzato come potente strumento per la raccolta e l’analisi di una grande quantità di dati • il GIS può essere utilizzato come metodologia d’indagine volta a perseguire una visione dell’oggetto delle nostre analisi di tipo olistica e contestuale “GIS allows the researcher to develop a holistic view of the many different contextual variables that may be important to addressing a particular social issue or research question” (Steinberg & Steinberg, 2006, p. 37). 33 “Guiding question” n. 1 CONCETTI • Come possiamo integrare lo strumento GIS nel nostro studio? Può essere utile farlo? - obiettivo della ricerca variabile dipendente variabili indipendente ipotesi accurata definizione degli attributi da associare a ciascuna variabile 34 “Guiding question” n. 2 POSIZIONE • Qual è la nostra area di studio? Quali caratteristiche geografiche la contraddistinguono? - dare una descrizione dell’area (estensione, confini, “livello di dettaglio”) ci sono elementi geografici (naturali o costruiti dall’uomo)identificabili come specifiche unità di analisi? sono presenti elementi “unici” dal punto di vista emozionale, spirituale, psicologico, culturale o ambientale? 35 “Guiding question” n. 3 DATI • Di quali dati abbiamo bisogno? Di quali dati disponiamo? - fonti dei dati condizioni di accesibilità ai dati livello di disaggregazione territoriale dei dati disponibili finalità per cui i dati sono stati raccolti qualità del dato: accuratezza, validità e “anzianità” disponibilità del “metadato” 36 “Guiding question” n. 4 ANALISI • Che tipo di analisi vogliamo svolgere? “place based or local analysis: attempts to identify the proprties that distinguish places, within the context provided by a general framework (GWR, LISA) […] space provides the necessary link to other potentially interesting factors and to the context of observations” (Goodchild, Janelle, 2004, p.9) - “cross-section analysis” - “longitudinal analysis” 37 Approcci alla ricerca approccio induttivo: il ricercatore, senza alcun pre-concetto, inizia il processo di ricerca collezionando dati per arrivare alla formulazione di una teoria che spieghi quanto osservato approccio deduttivo: il ricercatore, partendo da ipotesi già formulate, raccoglie dati al fine di testare le ipotesi stesse “a GIS can be useful for both inductive and deductive approaches to social sciences research” (Steinberg & Steinberg, 2006, p. 52). “spatial analysis is perhaps best seen as an exploratory technique, more suitable for the generation of hypothesis and insights than to strict confirmation of theory” (Goodchild, Janelle, 2004, p.7) 38 Approccio induttivo: GIS e fasi delle ricerca (Steinberg & Steinberg, 2006, p. 80) 1. scelta del tema d’indagine - 2. individuazione dell’area geografica di interesse - 3. errori, età del dato, finalità per cui è stato raccolto, fonte, livello di dettaglio, proiezione analisi dei dati - 7. localizzazione geografica dei dati (sviluppo di un sistema di codifica delle informazioni raccolte) validazione sul campo dei dati raccolti (“ground-truth”) - 6. raccogliere dati sull’ambiente sociale, fisico e naturale (integrazione di differenti tipologie di dati) geocodifica dei dati raccolti - 5. l’ubicazione dei fenomeni nello spazio può giocare un ruolo importante nel processo d’analisi raccolta dei dati - 4. individuazione variabili spaziali determinanti da includere nel modello teorico che verrà elaborato alla ricerca di modelli di distribuzione spaziale (regolarità, similarità o differenze) raggiungimento di un punto di “saturazione teorica” (theoretical saturation) formulazione del modello teorico - con riferimento al contesto sociale, fisico e naturale cui si è fatto riferimento 39 Approccio deduttivo: GIS e fasi delle ricerca (Steinberg & Steinberg, 2006, p. 54) 1. scelta del tema d’indagine – individuare variabili spaziali rilevanti ai fini delle nostre analisi – individuare i confini adeguati in relazione alle variabili ocnsiderate 2. accurata definizione dei problemi da investigare (servirà da guida nella ricerca) – definire temi, gruppi socili ed ambiti geografici da includere nelle nostre analisi 3. condurre una “literature review” – per raccogliere informazioni da campi disciplinari idversi 4. sviluppo di una ipotesi (idea, congettura circa il tema d’indagine) – 5. l’ipotesi formulata dovrebbe comprendere un’istanza spaziale sviluppo di un modello teorico (individuazione delle variabili chiavi e delle possibili relazioni tra loro esistenti) – stabilire quali relazioni spaziali potrebbero esistere tra le variabili individuate 40 Approccio deduttivo: GIS e fasi delle ricerca 6. metodologia della ricerca (la più appropriata in relazione agli obiettivi della ricerca, al tempo ed alle risorse disponibili) – 7. valutare l’apporto dello strumento GIS nel definire la metodologia impiegata raccolta e preparazione dei dati – dove ricercare i dati dipende da quali elementi geografici abbiamo scelto di focalizzare la nostra attenzione 8. validazione sul campo dei dati raccolti (“ground-truth”) 9. analisi dei dati – 10. le tipologie di dati raccolti determinano il tipo di analisi possibile condivisione dei risultati – – “a picture is worth a thousands words” “ditelo con le mappe…ma senza mentire” 41 Appendice A CARTOGRAFIA TRADIZIONALE E CARTOGRAFIA NUMERICA 1. CARTOGRAFIA TRADIZIONALE: ha come elemento base un disegno che contiene, in forma implicita (e ricavabile da misure sulla carta a partire dalle informazioni desunte da legenda, parametratura e cornice), le coordinate dei punti. 2. CARTOGRAFIA NUMERICA: ha come elemento base l’insieme delle coordinate che contiene in forma implicita la sua visualizzazione sotto forma di disegno. 42 Appendice B IL PROCESSO CARTOGRAFICO 1. TOPOGRAFIA 2. FOTOGRAMMETRIA 3. TELERILEVAMENTO 4. 5. 1. acquisizione del dato GEODESIA 2. scelta del sistema di riferimento CARTOGRAFIA 3. scelta della rappresentazione cartografica 43 Appendice C LE DISCIPLINE DEL RILEVAMENTO 1. TOPOGRAFIA 2. FOTOGRAMMETRIA 3. TELERILEVAMENTO 4. GEODESIA 5. CARTOGRAFIA 44 1. TOPOGRAFIA Scienza applicata che si occupa dei metodi e degli strumenti atti a consentire la determinazione e la rappresentazione metrica di punti ed elementi della superficie della Terra (DESCRIZIONE METRICA DEI LUOGHI). Prodotto della topografia sono generalmente CARTE a scala opportuna atte a dare una rappresentazione sintetica e metricamente corretta di porzioni del territorio. PROBLEMI DI RILIEVO (misura di angoli e distanze – determinazione di coordinate curvilinee) 45 2. FOTOGRAMMETRIA Metodo di rilievo del territorio che consente la realizzazione di carte metriche. Utilizza le informazioni metriche contenute in una coppia di fotogrammi che riprendono lo steso oggetto da due differenti posizioni spaziali (coppia stereo). 46 3. TELERILEVAMENTO Ha come scopo la produzione di cartografia tematica del territorio mediante l’uso di sensori terrestri, aerotrasportati o spaziali. 47 4. GEODESIA Scienza che studia la figura della terra (FORMA e DIMENSIONI) e il suo campo di gravità nello spazio esterno (VALORE DEL CAMPO GRAVITAZIONALE E SUE VARIAZIONI NEL TEMPO) e dei fenomeni geodinamici (spostamento dei poli, maree terrestri e movimenti della crosta). 48 5. CARTOGRAFIA Scienza che si occupa del problema di riprodurre sul piano della carta l’intera superficie della Terra o porzioni più o meno consistenti di questa. Problema di impossibile soluzione a meno delle approssimazioni tollerate dagli utilizzatori delle carte. PROBLEMI DI RAPPRESENTAZIONE (passaggio dal sistema di coordinate curvilinee al sistema di coordinate piane – proiezioni cartografiche) 49 5. CARTOGRAFIA CLASSIFICAZIONE DELLE CARTE DENOMINAZIONE CARTA DENOMINAZIONE SCALA VALORE SCALA USO planisferi e mappamondi scala piccolissima oltre 1.30.000.000 intera superficie della Terra carte geografiche o generali scala piccola oltre 1:1.000.000 e fino a 1:30.000.000 superfici estese, statali e continentali carte corografiche o regionali media scala oltre 1:100.000 fino a 1: 1.000.000 regioni estese evidenziando bene il reticolo stradale carte topografiche scala grande oltre 1:10.000 fino a 1:100.000 superfici poco estese evidenziando bene elementi fisici e antropici piante e mappe scala grandissima fino a 1:10.000 piante per la planimetria di centri abitati; mappe per proprietà rurali 50 5. CARTOGRAFIA 51 Bibliografia • Biallo, G. (2005). Introduzione ai Sistemi Informativi Geografici. Roma: MondoGIS. • Boffi, M. (2004). Scienza dell’informazione geografica. Introduzione ai GIS. Bologna: Zanichelli. • Casini, F. (2002). Una statistica per la città. 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