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Introduzione ai GIS

Un Sistema Informativo Geografico, o GIS (da Geographic Information System), è un Sistema informatico per l’acquisizione, conservazione, analisi e visualizzazione di dati geografici.

Caratteristica essenziale di un GIS è la capacità di gestire dati geografici, o georeferenziati, vale a dire dati relativi ad elementi od oggetti della superficie terrestre la cui posizione è definita da un insieme di coordinate (in un dato sistema di riferimento).

Un’applicazione GIS può gestire un insieme di dati estremamente eterogeneo:

• carte geografiche tradizionali (opportunamente digitalizzate)
• dati in forma tabulare
• dati provenienti da RDBMS…

Funzionalità dei GIS

I GIS consentono di mettere in relazione tra loro dati diversi, sulla base del loro comune riferimento geografico in modo da creare nuove informazioni a partire dai dati esistenti.

Un’applicazione GIS offre le seguenti funzionalità:

• overlay topologico: in cui si effettua una sovrapposizione tra gli elementi di due o più temi per creare un nuovo tematismo (ad esempio si sovrappone il tema dei confini di un parco con i confini dei comuni per determinare le superfici di competenza di ogni amministrazione o la percentuale di area comunale protetta)
• query spaziali: ovvero delle interrogazioni di basi di dati a partire da criteri spaziali (vicinanza, inclusione, sovrapposizione etc.)
• buffering: dato un tema vettoriale (puntuale, lineare o poligonale) si definisce un poligono rispetto ad una distanza fissa o variabile in funzione degli attributi degli elementi
• segmentazione, analisi delle reti e analisi geostatistiche

Operazioni comuni con GIS

Mediante un GIS è possibile effettuare le seguenti operazioni:

• modellazione topologica: attraverso il riconoscimento e l’analisi delle relazioni spaziali tra i dati

• modellazione cartografica: analisi e produzione di nuovi tematismi cartografici sulla base di dati di partenza sovrapposti (mediante operazionidi overlay)

• image processing: elaborazione di dati raster provenienti da rilevazioni aeree o satellitari

• vettorializzazione e rasterizzazione: trasformazione di dati da formati raster a vettoriali e viceversa (la vettorializzazione è comunque per lo più un’operazione manuale)

Architetture dei GIS

Nel discutere le architetture di sistema dei GIS occorre preventivamente distinguere tra due scenari applicativi:

• applicazioni stand-alone: sistemi GIS completi (offrono funzionalità di analisi, disegno, cartografia e image processing) residenti su un unica workstation. Ne sono un tipico es. sw come GRASS, QuantumGIS e ArcGIS (in ambito proprietario). Generalmente non permettono la fruizione ai dati geospaziali a più utenti contemporaneamente.

• applicazioni web: permettono l’accesso alle informazioni spaziali attraverso la Rete. Sono soluzioni altamente scalabili, ma non offrono tutte le funzionalità di un GIS completo (in genere non permettono la modifica dei dati o i processi di analisi spaziale)

Applicazioni stand-alone

Applicazioni Web-GIS

Modelli di dati geospaziali

I dati georeferenziati contengono una componente spaziale che definisce la posizione o la distribuzione spaziale di un fenomeno geografico e una componente di attributi che descrive le proprietà.

La componente spaziale può essere rappresentata mediante due approcci:

• rappresentazione di campo: ad ogni punto o elemento dell’area di studio (pixel) corrisponde un dato valore. Questa metodologia corrisponde all’utilizzo di dati in formato raster

• rappresentazione di oggetti geometrici: le caratteristiche del territorio (aree, strade, ferrovie, alberi…) vengono definite attraverso l’uso di oggetti geometrici (risp. poligoni, linee e punti). questo secondo approccio si basa sull’utilizzo di dati vettoriali

Rappresentazione Raster (1/2)

Un raster è una semplice matrice di valori. Tali valori possono:

• rappresentare un fenomeno continuo (elevazione, temperatura..). In questo caso si parla di reticolato
• rappresentare un’immagine (ad esempio una carta scannerizzata)

I dati raster sono particolarmente indicati nella rappresentazione di fenomeni continui nello spazio.

Nota: il rapporto tra l’area di una griglia quadrata di pixel (o genericamente voxel) e la lunghezza del suo lato rappresenta la risoluzione di un layer raster (alternativamente questa grandezza è definita come la dimensione di una cella della matrice, espressa in una qualche unità di misura cartografica)

Rappresentazione Raster (2/2)

Rappresentazione Vettoriale (1/2)

I formati vettoriali vengono utilizzati per rappresentare punti, linee o aree.

Nella rappresentazione vettoriale un punto è definito da una coppia di coordinate mentre una linea o un poligono dalle coordinate di un insieme di punti che, quando connessi fra loro con segmenti retti, formano la rappresentazione grafica dell’oggetto. Generalmente i due punti alle estremità di una linea vengono definiti nodi, i punti intermedi di una spezzata vengono definiti vertici.

I dati vettoriali sono particolarmente indicati nella rappresentazione di fenomeni discreti.

Nota: lo stesso fenomeno può essere rappresentato con le due metodologie, ma a scale differenti. Per rappresentare per es. una strada a piccole scale (1:1000000) potrebbe essere ottimale un approccio vettoriale, per passare a dati raster su grandi scale (1:1000)

Rappresentazione Vettoriale (1/2)

Differenze tra i due modelli

La scelta di una tipologia di dato rispetto ad un’altra dipende dall’utilizzo finale dei dati. In generale però sussistono le seguenti differenze:

• I formati raster memorizzano un valore per tutti i punti appartenenti alla regione ricoperta. Ciò si ripercuote nella necessità di molto spazio per memorizzare le informazioni (nei dati vettoriali vengono memorizzate solo informazioni su nodi, vertici e topologia). Di contro la semplicità del modello raster permette una facile implementazione delle operazioni di overlay.

• I formati vettoriali al contrario permettono maggiore flessibilità in fase di rendering, riproiezione e scaling, oltre a necessitare di molto meno spazio per la memorizzazione. Essi si prestano bene anche alla memorizzazione in database relazionali, ma sono più complessi da realizzare.

Formati di dati comuni

Ciascun modello di dato è caratterizzato da diversi formati di memorizzazione, che negli anni si sono moltiplicati:

• formati raster comuni: sono supportati molti dei comuni formati di immagine, con dei particolari accorgimenti. Alcuni esempi sono il Tiff (non compresso e molto pesante, noto come GeoTiff), il JPEG2000 e il formato proprietario ecw. La componente spaziale può essere integrata nel file (estensioni geografiche mediante tag del formato) e esterna (World File)

• formati vettoriali comuni: il formato più comunemente usato (rappresenta ormai uno standard de facto nelle applicazioni GIS) è lo shape file, sviluppato da ESRI. Il formato shp memorizza su file separati la componente spaziale e gli attributi.

• memorizzazione su DBMS: negli ultimi anni molti DBMS relazionali hanno aggiunto delle estensioni geografiche che permettono la memorizzazione di dati vettoriali (a volte anche raster) e meccanismi di interrogazione spaziale.

Dati quantitativi: gli attributi

Un’altro aspetto particolarmente importante che caratterizza i GIS è la capacità di elaborare dati quantitativi (valori numerici, stringhe…) associati ai dati geografici.

Questi dati, denominati attributi, sono generalmente gestiti attraverso DBMS interni o del tutto esterni ai sistemi GIS (sqlite, rdbms, arc-catalog)

La corrispondenza tra dati geografici e attributi è mantenuta attraverso le coordinate dell’elemento o un UID (come avviene in PostGIS).

Tipi di dati gestiti da un GIS

In figura è riportato un esempio di dati raster, vettoriali e quantitativi (attributi)

Trasformazione tra modelli di dati

Come già detto, lo stesso fenomeno può essere rappresentato con entrambi i modelli di dato. I sistemi GIS generalmente forniscono strumenti per la conversione tra modello raster e modello vettoriale.

Ad esempio, il dato altimetrico (elevazione) può essere rappresentato mediante un layer vettoriale puntiforme, per poi essere interpolato in un formato raster (DEM – digital elevation model) che verrà successivamente utilizzato per derivare le curve di livello ancora in formato vettoriale.

Nota: in generale il passaggio da un modello di dato all’altro è un’operazione lossy (con perdita o distorsione)

Organizzazione dei dati in un GIS

Proiezioni cartografiche (1/2)

La proprietà base di un GIS, a differenza degli altri tipi di sistemi informativi, è che tutte le informazioni mantenute sono georeferenziate, in un GIS quindi tutti gli oggetti memorizzati devono avere una definizione della propria posizione sulla superficie terrestre.

Come è noto la Terra ha una forma irregolare assimilabile ad una sfera. Esistono molti modi per rappresentare un punto sulla superficie terrestre su una mappa planare (superficie in 2D), ma tutti condividono gli stessi concetti di base.

Nota: la caratterizzazione di una particolare proiezione e di un dato sistema di riferimento si ottiene mediante una serie di parametri che può variare in funzione di entrambe le componenti.

Proiezioni cartografiche (2/2)

La proiezione della superficie terrestre su una mappa piana avviene in generale nei seguenti passi:

• si costruisce una figura geometrica che rappresenti meglio possibile il geoide (ellissoide)
• si proietta l’ellissoide du una superficie sviluppabile
• si realizza la mappa planare

Ellissoidi

L’ellissoide è un’approssimazione matematica della reale forma della Terra.

Negli anni sono stati proposti centinaia di ellissoidi, ciascuno indicato per rappresentare una particolare zona della superficie terrestre. Tra i più noti si ricordano:

• Clarke 1866 (Nord America)
• Bessel 1841 (Europa)
• WGS84 (WorldWide)

Nota: Gli ellissoidi si prestano bene a rappresentare dati planari. Per l’accuratezza altimetrica invece occorre ricorrere al geoide, una superficie equipotenziale rappresentante il campo gravitazionale della Terra

Datum geodetico

Si definisce datum geodetico un insieme di costanti che definiscono l’ellissoide collegato e il sistema di coordinate utilizzato per calcolare la posizione di un punto sulla superficie della Terra.

• I datum orizzontali definiscono l’origine e l’orientazione del sistema di riferimento usato per calcolare le coordinate orizzontali (in genere coord. Nord e coord. Est)

• I datum verticali definiscono il sistema di riferimento per il calcolo altimetrico (elevazione sul livello del mare)

Per sovrapporre mappe distinte, occorre utilizzare lo stesso datum. Datum differenti corrispondono ad operazioni di traslazione

Proiezione

La proiezione è l’operazione necessaria a trasformare la superficie terrestre, curva, in un piano. La proiezione diretta di una sfera su un piano NON può essere effettuata senza distorsioni

L’approccio più comunemente utilizzazto è la proiezione dello sferoide su una superficie sviluppabile (in genere un cilindro o un cono), che possa poi essere trasformato in un piano senza distorsione.

Esistono numerose proiezioni, ciascuna con le proprie caratteristiche:

• proiezione conforme: preserva gli angoli (anche le forme per aree piccole) ed è largamente utilizzata nelle carte nautiche e nella cartografia nazionale
• proiezione equidistante: preserva le distanze
• proiezione equivalente: preserva le aree

Nota: ciascuna di queste proprietà (angoli, distanze e aree) è conservata a scapito delle altre. L’uso di una data proiezione dipende dall’utilizzo delle carte.

Sistema di coordinate

Un sistema di coordinate serve ad identificare con precisione un punto sulla Terra. È definito da:

• un’origine (es. meridiano principale, datum)
• gli assi coordinati (x,y,z)
• l’unità di misura (angoli o distanze)

Nei GIS sono comunemente usati i seguenti sistemi di coordinate:

• geografico globale (latitudine-longitudine)
• planare (cartesiano) georeferenziato (est, nord, elevazione)
• planare non georeferenziato (sistema di coordinate di un’immagine non georeferenziata)

Sistemi di coordinate e datum comuni

• Sistema di coordinate Latitudine-Longitudine: il più comune sistema di coordinate utilizzato è il “sistema di coordinate sferiche”, basato su una griglia di paralleli (che misurano la latitudine di un punto) e meridiani (che ne caratterizzano la longitudine). La longitudine di un punto è definita come l’angolo tra il suo meridiano e il meridiano 0 (Greenwitch – 0°-180° EST/OVEST). La latitudine è invece l’angolo tra la normale al punto e il piano equatoriale (0°-90° NORD/SUD).

• UTM: (sistema di griglia universale transversa di Mercatore). Utilizzato nella maggior parte delle cartografie nazionali, e applicabile alla maggior parte della superficie terrestre. UTM si basa sulla proiezione transversa di Mercatore (conforme, cilindrica), e divide il globo in 60 zone di 6° di longitudine, a partire dal 180° di longitudine OVEST. Ogni zona costituisce la base di una proiezione a sè stante, per evitare distorsioni evidenti ed è suddivisa in striscie di 8° di latitudine, caratterizzate dalle lettere C-X (escludendo I e O). Ad es. Lecce appartiene alla zona 34 e alla striscia T.

WGS84

WGS84 è l’acronimo di World Geodetic System 1984. È un datum globale valido per tutto il mondo (viene infatti utilizzato dai sistemi GPS)

Dal punto di vista geometrico, il WGS84 è un particolare sistema terrestre convenzionale (CTS Conventional Terrain System), ovvero un sistema di riferimento cartesiano usato per descrivere la terra, le cui caratteristiche sono:

• centro: nel centro di massa della terra
• asse Z: passante per il polo Nord, come definito dal BIH nel 1984
• asse X: passante per il meridiano di Greenwich, come definito dal BIH nel 1984
• asse Y: scelto in modo da dare una terna destrorsa

Al sistema CTS WGS84 è associato l’ellissoide WGS84, descritto dai parametri:

• semiasse maggiore: a = 6 378 137
• semiasse minore: c = 6 356 752
• schiacciamento: f = 1/298,257222101

Soluzioni GIS libere

Negli ultimi anni sono state sviluppate numerose soluzioni libere GIS, che sono in grado di competere con le applicazioni proprietarie più note:

• applicazioni stand-alone: GRASS, QuantumGIS, OpenJump, Kosmo…

• server cartografici: MapServer (praticamente uno standard de facto), MapScript

• applicazioni cartografiche web-oriented: Chameleon, KaMap!, OpenLayers…

• RDBMS con estensioni geografiche: PostGIS (PostgrSQL), MySQL

QuantumGIS

Quantum GIS (QGIS) è un software GIS user friendly e Open Source, rilasciato in licenza GPL.

QGIS è un progetto ufficiale dell’Open Source Geospatial Foundation (OSGeo). È un software multipiattaforma che gira su Linux, Unix, Mac OSX, e Windows; supporta numerosi formati vettoriali e raster e offre meccanismi di connessione a database relazionali con estensioni geografiche.

Quantum GIS fornisce un numero sempre crescente di funzionalità (sia interne che in forma di plugins). Con QGIS è possibile gestire, visualizzare ed editare dati geografici, effettuare analisi dei data e comporre cartografia tematica.

OpenJUMP

OpenJUMP è un GIS open source scritto in Java. È basato su JUMP GIS di Vivid Solutions.

È un GIS particolarmente orientato all’analisi vettoriale, con limitate funzionalità di gestione di dati raster. Essendo scritto in Java, è portabile su tutte le piattaforme per le quali sia disponibile una Java Virtual Machine (JVM).

Anche OpenJump è un software rilasciato in GPL.

GRASS

GRASS è l’acronimo di “Geographic Resources Analysis Support System”.

È un GIS con funzionalità di analisi e gestione dei dati geospaziali, image processing, produzione cartografica 2D e 3D, modellazione spaziale e visualizzazione.

È un progetto ufficiale dell’Open Source Geospatial Foundation, rilasciato in licenza GPL. Attualmente viene ampiamente utilizzato in ambienti accademici e governativi.

PostgreSQL e le estensioni geografiche

PostGIS è un’estensione spaziale per il DBMS relazionale ad oggetti PostgreSQL distribuito con licenza GPL.

Fornisce i tipi di dati specificati negli standard dell’Open Geospatial Consortium. In particolare è un geodatabase, fornisce il sistema di gestione dati sui quali è basato un GIS.

From Wikipedia

Soluzioni per il GIS sul Web

Nel panorama dei WebGIS liberi, spiccano diverse soluzioni, caratterizzate da architetture più o meno complesse:

• MapServer: server cartografico compatibile con gli standard WMS (Web Map Service) e WFS (Web Feature Service).
• Mapscript: API multilinguaggio per la programmazione lato server
• Chameleon: framework per la costruzione di GUI cartografiche lato server (PHP)
• KaMap!, OpenLayers: toolkits lato client (Javascript)

Chameleon

Chameleon è un ambiente di sviluppo per applicazioni WebGIS distribuito e ampiamente configurabile. Si basa su MapServer (che ne rappresenta l’engine cartografico) e permette di utilizzare tutti i formati di dati supportati da quest’ultimo. Supporta anche gli standard dell’OpenGIS Consortium (WMS/WFS).

Con Chameleon è possibile creare velocemente un’applicazione WebGIS sulla base di un set di widgets (pulsanti di zoom, map, legende..) configurabili attraverso un template HTML. Questi widgets forniscono determinate funzionalità, e sono completamente configurabili nel comportamento e nell’aspetto.

Chameleon è risasciato sotto licenza GPL

OpenLayers

OpenLayers è una libreria Javascript per la creazione di interfacce WebGIS Ajax (simili a quelle di GoogleMaps).

È in grado di visulaizzare ritagli cartografici (map tiles) e marcatori (bookmark spaziali) caricandoli da qualsiasi sorgente remota (WMS/WFS)

OpenLayers è un progetto completamente libero, rilasciato sotto una licenza in stile BSD.

KaMap!

Ka-map! è un progetto open source che mira a fornire un’API javascript per lo sviluppo di interfacce WebGIS altamente interattive.

Tra le sue caratteristiche spiccano:

• capacità di panning interattivo e continuo, senza ricaricamento della pagina
• zoom a scale preselezionate
• scalebar, legenda e keymap

Ka-map! è rilasciato in licenza MIT.