Ai miei genitori,
ad Alessandro e Gianni
ed alla mia cara Annalisa
I
SOMMARIO
SOMMARIO ...I INDICE DELLE FIGURE ... V INDICE DELLE TABELLE... VII
INTRODUZIONE... 1
Bibliografia introduzione ... 5
CAPITOLO I - I SISTEMI INFORMATIVI GEOGRAFICI... 7
1. Introduzione al Sistema Informativo Geografico ... 8
1.1 Che cos’è un GIS ... 8
1.2 Come funziona il GIS ... 10
1.3 A cosa serve un GIS... 11
2. Strutture, formati e modelli dei dati in un GIS... 12
2.1 Componenti di un GIS ... 12
2.2 Concetti di base... 14
2.3 Rappresentazione ... 17
2.4 Le strutture di dati geografici... 18
2.4.1 Il modello vettoriale... 19
2.4.2 Il modello raster ... 21
2.5 Analisi dei dati ... 23
2.5.1 Consultazione del database ... 23
2.5.2 Algebra su Mappa ... 24
2.5.3 Analisi delle Distanze ... 24
2.6 Modelli... 26 2.6.1 Tratti di Modellatura ... 26 2.6.2 La modellazione tridimensionale... 27 3. Funzionalità di un GIS ... 28 3.1 Overlay topologico... 28 3.2 Operatore di buffering... 29 3.3 Analisi di rete... 30
3.3.1 Analisi delle reti a grafo... 30
3.4 Segmentazione dinamica ... 31
4. Parametri e qualità dei sistemi GIS ... 32
5. Caratteristiche salienti del GIS... 33
6. Come si progetta un GIS ... 34
6.1 La definizione degli obiettivi ... 34
II
6.3 L'analisi dei dati ...35
6.4 La presentazione dei risultati...36
7. Le applicazioni dei GIS...37
7.1 Utilizzo del GIS nelle Pubbliche Amministrazioni...37
7.2 Gestione delle emergenze...38
7.3 Altre applicazioni del GIS...40
Bibliografia capitolo I ... 43
CAPITOLO II - GOOGLE EARTH ... 45
1. Storia di Google Earth ... 46
2. Descrizione ... 47
3. Versioni ... 49
3.1 Google Earth Plus...49
3.2 Google Earth Pro...49
4. Requisiti...50
5. Le funzionalità di Google Earth...51
5.1 Comandi di movimento...51 5.2 Sezione SEARCH ...52 5.2.1 Fly to ...53 5.2.2 Local Search...53 5.2.3 Direction...53 5.3 Sezione PLACES ...54 5.4 Sezione LAYERS...54 6. Rappresentazioni tridimensionali...55 7. Google Earth in 4D... 56
8. Google Earth Community ...57
9. Errori... 58
10. Critiche... 59
11. Vantaggi e svantaggi di Google Earth ...60
Bibliografia capitolo II...65
CAPITOLO III - GEOGRAPHIC RESOURCES ANALYSIS SUPPORT SYSTEM ...67
1. L’analisi geografica Open Source ...68
2. Storia e sviluppo del GRASS...71
III
4. Struttura del database ... 74
4.1 Creazione del database... 76
5. Modello di dati... 77
5.1 Modello vettoriale... 78
5.2 Modello raster ... 81
6. Interfaccia grafica e shell di testo ... 85
7. Elaborazione delle immagini... 87
7.1 Elaborazione di dati LIDAR ... 89
8. Conclusioni ... 90
Bibliografia capitolo III ... 94
CAPITOLO IV - ARCGIS ... 95 1. Il Sistema ArcGIS ... 98 2. L'architettura ArcGIS... 100 2.1 ArcIMS ... 101 2.2 ArcSDE ... 104 3. Funzionalità ... 105 4. ArcGIS Desktop ... 106 4.1 I software ... 106 4.1.1 ArcView... 107 4.1.2 ArcEditor... 108 4.1.3 ArcInfo... 108 4.2 Le componenti ... 109 4.2.1 ArcMap ... 110 4.2.2 ArcCatalog ... 112 4.2.3 ArcToolbox ... 113 5. Estensioni ArcGIS... 115 6. Mobile GIS... 117 6.1 ArcPad... 117 6.2 GeoCollector ... 118 7. Sviluppatori GIS ... 119
7.1 ArcGIS Image Server... 120
7.2 ArcGIS Server... 122
7.3 ArcGIS Engine... 124
8. Modelli Dati e Geodatabase ... 125
9. Gestione delle licenze ... 126
10 Conclusioni ... 128
IV
CAPITOLO V - APPLICAZIONI DEI GIS...133
1. L’importanza dei GIS ...134
2. Knowledge Based Radar... 135
3. Knowledge Based System ...137
4. La condivisione dei dati ... 138
5. Sistema radar autonomo e intelligente (AIRS)...140
6. Applicazioni delle tecniche KB...143
6.1 Interpolazione spettrale ...143
6.2 Radar bistatici e radar coerenti passivi...143
6.3 SAR ...144
6.4 Radar array multifunzione...144
7. Applicazione dei radar ai GIS...145
Bibliografia capitolo V ... 146
V
INDICE DELLE FIGURE
Figura 1.1 : Componenti di un GIS
Figura 1.2 : Mappe sovrapposte di diversi attributi relativi alla stessa regione Figura 1.3 : Un database con i relativi valori di attributo
Figura 1.4 : Attributi del territorio
Figura 1.5 : Immagine rilevata dal satellite
Figura 1.6 : Combinazione di dati aster e vettoriali Figura 1.7 : Rappresentazione vettoriale
Figura 1.8 : Un database di informazioni Figura 1.9 : Rappresentazione raster Figura 1.10 : Griglia di dati
Figura 1.11 : Overlay tra due strati logici Figura 1.12 : Superficie di costo
Figura 1.13 : Percorsi tra due punti, uno a basso ed un altro ad alto costo Figura 1.14 : Allocazione di risorse e servizi
Figura 1.15 : Modello tridimensionale di un territorio Figura 1.16 : Overlay topologico
Figura 1.17 : Diagramma di flusso del progetto di un GIS Figura 1.18 : Vista dall’alto di Piazza San Pietro a Roma Figura 2.1 : Visualizzazione con Google Earth
Figura 2.2 : Schermata di partenza Figura 2.3 : Trackball
Figura 2.4 : Schermata con i comandi di Google Earth Figura 2.5 : Funzione Fly to
Figura 2.6 : Riproduzione del tragitto Figura 2.7 : Elenco dei livelli selezionabili
Figura 2.8 : Rappresentazione tridimensionale di edifici Figura 2.9 : Il Colosseo di Roma
VI
Figura 2.11 : Il Grand Canyon
Figura 3.1 : Rappresentazione grafica di GRASS Figura 3.2 : Organizzazione di un database in GRASS Figura 3.3 : Schermata iniziale di GRASS
Figura 3.4 : Esempio di organizzazione di dati raster e vettoriali nel database Figura 3.5 : La console dello shell di testo
Figura 4.1 : Struttura del software ArcGIS 9 Figura 4.2 : Struttura fondamentale di ArcGIS
Figura 4.3 : Dati provenienti dal sito Web ArcIMS visualizzati con ArcMap Figura 4.4 : Il sistema ArcIMS
Figura 4.5 : Visualizzazione di ArcView Figura 4.6 : Applicazioni desktop di ArcGIS Figura 4.7 : Visualizzazione di ArcMap Figura 4.8 : Visualizzazione di ArcCatalog Figura 4.9 : Visualizzazione di ArcToolbox Figura 4.10 : Wizard di ArcToolbox
Figura 4.11 : Un palmare su cui è installato ArcPad
Figura 4.12 : Rappresentazione 3D con ArcGIS Image Server Figura 4.13 : Componenti di ArcGIS Image Server
Figura 4.14 : Rappresentazione 3D con ArcGIS Server Figura 5.1 : Un piattaforma con più sensori
VII
INDICE DELLE TABELLE
Tabella 1 : Parametri in Google Earth Tabella 2 : Caratteristiche di Google Earth Tabella 3: Confronto tra i software GIS
Tabella 4: Le funzioni principali relative al dato vettoriale in GRASS Tabella 5: Le funzioni principali relative al dato aster in GRASS
Tabella 6: I principali gruppi di funzioni individuabili nel menù a tendina Tabella 7 : Parametri di GRASS
Tabella 8 : Caratteristiche di GRASS
Tabella 9 : Principali estensioni di ArcGIS con le relative funzioni Tabella 10 : Caratteristiche di ArcGIS
1
INTRODUZIONE
La storia delle realizzazioni delle carte geografiche inizia con metodi basati su percezioni e ricostruzioni soggettive. Dapprima si trattava di copiare la Terra oppure di misurarla rispetto al cielo, sempre tenendo ben saldi i piedi a terra o al massimo immaginando punti di vista virtuali collocati nello spazio. Con il passare del tempo, il principale problema tecnico dello sviluppo di una superficie sferica, quella della Terra, su una superficie piana, quella della carta, venne risolto attraverso soluzioni geometriche, le proiezioni geometriche. In seguito queste furono sostituite da rigorose trattazioni matematiche, le rappresentazioni analitiche, su cui di fatto sono basati i principi delle Proiezioni cartografiche [1].
Negli ultimi cento anni la cartografia diviene la ricostruzione in scala del Globo collocando l'occhio, reale o virtuale, lontano dalla Terra. Le fotografie aree prima e le immagini satellitari poi hanno permesso di avere immagini della Terra come non se ne erano mai viste prima. Con l'accesso alla visione aerea e satellitare si è compiuto un lungo tragitto che ha portato alla piena percezione dello spazio che ci circonda e si è definitivamente messa da parte una certa fantasia interpretativa.
Nonostante questo le richieste di rappresentazione cartografica stanno enormemente aumentando e le ragioni di questo aumento sono legate ai molteplici impieghi delle carte tematiche. Infatti, la cartografia più diffusa non rappresenta più i luoghi, gli spazi e le distanze, ma unitamente a questi dati geografici essenziali, vengono rappresentati dati e informazioni di ogni genere. Così negli ultimi venti anni si è instaurato un forte legame tra gli strumenti della Tecnologia dell'Informazione e la cartografia tematica.
Tra i vari prodotti che la rivoluzione informatica ha prodotto negli ultimi anni i
Sistemi Informativi Geografici (Geographic Information System, GIS) rappresentano
un’innovazione epocale nella gestione e nella produzione cartografica [2]. Questi sistemi si basano sulla fusione di due capisaldi dell'innovazione informatica: i sistemi di disegno computerizzato, i CAD, e i data base relazionali, DBMS, i quali peraltro sono tra le prime creazioni dell'informatica. Il primo sistema ha permesso il disegno computerizzato delle entità geografiche, il secondo l'immagazzinamento dei dati e delle informazioni legate a queste entità.
2
La fusione di questi due sistemi nei GIS ha permesso il superamento del compromesso insito in ogni rappresentazione cartografica. Infatti, ogni rappresentazione di entità geografiche è stata sempre fatta in qualche misura simbolica e in scala, ovvero si basava su paradigmi di rappresentazione secondo i quali un determinato simbolo nella carta rappresentava un oggetto reale con determinate proprietà geometriche. Sebbene i cartografi nella loro storia ultrasecolare abbiano sviluppato delle raffinatissime e ormai consolidate rappresentazioni simboliche, la rappresentazione simbolica di una carta geografica o tematica tradizionale rappresenta sempre un limite per una conoscenza completa di tutte le informazioni legate alle entità geografiche.
Il superamento di questo limite è rappresentato dalla diffusione dei Sistemi Informativi Geografici (GIS), che permettono di analizzare un’entità geografica sia per la sua completa natura geometrica sia per il suo totale contenuto informativo. In pratica questi sistemi realizzano attraverso l'Ingegneria del Software un legame tra ogni entità geografica di una carta e una serie di dati memorizzati in un database.
Con questi nuovi sistemi le applicazioni della cartografia si moltiplicano: ogni dato è rappresentabile in una carta attraverso la sua posizione geografica, definita dal sistema di coordinate adottato, unitamente a tutte le informazioni che lo riguardano e che sono immagazzinate in un database. In questo modo l'analisi delle proprietà geometriche delle entità rappresentate in un carta geografica (ad esempio le loro esatte dimensioni fisiche), potrà essere combinata con le proprietà generali delle altre entità cartografiche (ad esempio la distanza reciproca tra le case e abitazioni, tra scuole e ospedali), e di ogni entità prescelta si potrà analizzare in dettaglio tutte le informazioni che la riguardano.
In questi ultimi anni, quasi tutta la cartografia geografica tradizionale sta divenendo una cartografia geografica digitale e in breve quasi tutta la cartografia, di ogni genere e tipo andrà a fare parte di Sistemi Informativi Territoriali che attraverso i GIS sono in grado di produrre carte geografiche e tematiche per tutti i nostri obiettivi. Gli impieghi dei GIS sono dunque crescenti e per quanto si è detto crescono assieme a tutti i sistemi che sono collegati all'evoluzione del mondo della Tecnologia dell'Informazione [3].
Una tale rivoluzione ha portato anche un gran cambiamento nelle tradizionali applicazioni delle Scienze della Terra e del territorio che hanno sempre elaborato carte tematiche dettagliate sugli aspetti fisici dell'ambiente. In particolare nel momento in cui la
3
Tecnologia del Telerilevamento è stata in grado di produrre una gran quantità d’immagini sempre più dettagliate della superficie terrestre e i sistemi di archiviazione informatica sono stati in grado di gestire queste immagini come qualunque altra informazione, si è sviluppato un insieme di nuovi approcci allo studio dell'ambiente fisico e del territorio.
Tutti gli impieghi integrati di informazioni sull'ambiente fisico, dai dati topografici tradizionali a quelli prodotti dal GPS, dai dati geologici e geomorfologici di campagna ai dati sulle falde freatiche sotterranee, dai dati sullo scorrimento delle acque superficiali ai dati sui cambiamenti climatici, dai dati sulla attività sismica e vulcanica ai dati sul dissesto idrogeologico, sono oggi gestiti ed elaborati attraverso i Sistemi Informativi Geografici.
Per questo motivo i GIS possono essere di supporto a varie problematiche ed essere utilizzati in molti settori [4]. Per esempio:
● in tutti i settori di impiego della cartografia geografica o topografica (settori militari, industriali, amministrativi): il governo di uno stato deve gestire i suoi fondi per la Difesa indirizzandoli prevalentemente verso quelle regioni che sono di confine; per i responsabili del settore sanitario sarà fondamentale la scelta su dove collocare nuove cliniche e ospedali; per una società di trasporti sarà importante decidere i percorsi da seguire per effettuare le proprie consegne;
● in tutti i settori di impiego e sviluppo della cartografia geologica, geomorfologica, idrogeologica, delle risorse, forestale e ambientale: una compagnia forestale deve sapere dove piantare o tagliare degli alberi e deve conoscere strade e sentieri per accedervi; un servizio geologico deve conoscere la distribuzione di frane, sorgenti, cave sondaggi;
● in tutti i settori di pianificazione territoriale: un ente pubblico che gestisce il territorio impiega il GIS per la redazione e sviluppo dei piani urbanistici (piani regolatori, piani territoriali di coordinamento o piani strutturali); un turista o chiunque si trovi a effettuare un viaggio deve fare delle scelte sul luogo dove recarsi, su come recarvisi e il posto dove eventualmente alloggiare.
4
Dopo questa breve introduzione, la tesi sarà strutturata nel seguente modo. Il primo capitolo è dedicato ad un’ampia presentazione dei GIS, nella quale verranno evidenziate le sue componenti, le strutture dei dati geografici, i tipi di analisi che è possibile eseguire e i modelli di cui si servono questi sistemi. Inoltre ci sarà una descrizione di tutte le funzionalità di un generico GIS ed un elenco dei parametri e delle caratteristiche indispensabili per determinare la qualità di un Sistema Informativo Geografico.
Successivamente l’attenzione sarà focalizzata su tre software specifici che utilizzano la tecnologia dei GIS. Dapprima si porrà l’attenzione su un software freeware, Google Earth, sottolineando le sue peculiarità, i suoi vantaggi ed i suoi limiti.
Lo studio proseguirà con l’analisi dei software Open Source. Nella fattispecie sarà illustrato lo sviluppo ed il funzionamento di uno dei principali GIS Open Source, forse il GIS dalla tradizione più lunga, il Geographical Resources Analysis Support System (GRASS).
In ultima analisi verrà preso in considerazione un software commerciale. In particolare si parlerà di ArcGIS, una famiglia di prodotti GIS estremamente ricca di funzionalità ed altamente scalabile, in grado di soddisfare le esigenze di ogni organizzazione, dal singolo utente ad un sistema distribuito interconnesso in rete.
Nella parte conclusiva del lavoro verrà mostrato come i GIS possano essere sfruttati in molti settori. Nella fattispecie si potrà vedere come questi sistemi trovano un naturale impiego nel campo radaristico.
5
Bibliografia introduzione
[1] A.Lodovisi, S.Torresani, Storia della cartografia, Patron Editore, Bologna, 1996
[2] Damiano G. Preatoni, Corso di Sistemi Informativi Territoriali, dispense online [3] David J. Maguire, Il computer nello studio del territorio, Franco Angeli, 1990 [4] www.geotecnologie.unisi.it
7
CAPITOLO I
I SISTEMI INFORMATIVI GEOGRAFICI
SOMMARIO CAPITOLO 1
1. Introduzione al Sistema Informativo Geografico 1.1. Che cos’è un GIS
1.2. Come funzione un GIS 1.3. A cosa serve un GIS
2. Strutture, formati e modelli di dati geografici 2.1. 2.1 Componenti un GIS
2.2. 2.2 Concetti di base 2.3. 2.3 Rappresentazione
2.4. 2.4 Le strutture di dati geografici 2.4.1. 2.4.1 La struttura vettoriale 2.4.2. 2.4.2 La struttura raster 2.5. Analisi dei dati
2.5.1. Consultazione del database 2.5.2. Algebra su Mappa
2.5.3. Analisi delle Distanze 2.6. Modelli 2.6.1. Tratti di Modellatura 2.6.2. La modellazione tridimensionale 3. Funzionalità di un GIS 3.1. Overlay topologico 3.2. Operatore di buffering 3.3. Analisi di rete
3.3.1. Analisi delle reti a grafo 3.4. Segmentazione dinamica 4. Parametri e qualità dei sistemi GIS 5. Caratteristiche salienti del GIS 6. Come si progetta un GIS
6.1. La definizione degli obiettivi 6.2. La creazione del database 6.3. L'analisi dei dati
6.4. La presentazione dei risultati 7. Le applicazioni dei GIS
7.1. Utilizzo del GIS nelle Pubbliche Amministrazioni 7.2. Gestione delle emergenze
8
1.1
Che cos’è un GIS
Esistono varie definizioni possibili di Sistema Informativo Geografico. Inoltre sono utilizzati diversi acronimi che fanno tutti riferimento, con qualche lieve differenza, alla concezione di Sistemi Informativi Geografici. Tra questi i più utilizzati sono:
● S.I.T.: Sistema Informativo Territoriale
● G.I.S.: Sistema Informativo Geografico (Geographical Information System)
Sebbene sia uso comune utilizzare indistintamente, in alternativa tra loro, i termini GIS e SIT, molti autori sono concordi nel ritenere che le due definizioni non coincidano. Il SIT può essere inteso come l'insieme dei dati geografici organizzati per un relativo territorio, mentre il GIS è il mezzo in grado di accedere, visualizzare e modificare tali dati [1].
Le definizioni di GIS esistenti in letteratura riflettono i particolari contesti disciplinari ed applicativi in cui questo viene utilizzato. Tuttavia esse presentano delle sovrapposizioni che consentono di identificarne le caratteristiche fondamentali. Di seguito sono riportate alcune definizioni di GIS tratte dalla letteratura:
● “Un GIS è una potente serie di strumenti per acquisire, memorizzare, estrarre a
volontà, trasformare e visualizzare dati spaziali dal mondo reale”, Burrough 1986
[2].
● "Il complesso di uomini, strumenti e procedure (spesso informali) che permettono l'acquisizione e la distribuzione dei dati nell'ambito dell'organizzazione e che li rendono disponibili nel momento in cui sono richiesti a chi ne ha la necessità per svolgere una qualsivoglia attività", Mogorovich 1988 [3].
9
● “Un GIS è un sistema che può mantenere ed usare dati che descrivono posti sulla
superficie terrestre”, Rhind 1989 [4].
● “Il GIS è una combinazione di hardware, software, risorse umane e procedure che
ha lo scopo di acquisire, gestire ed analizzare dati spazialmente referenziati”,
Goodchild e Kemp 1990 [5].
● “Un sistema informativo geografico è un gruppo di procedure che consentono
input, memorizzazione, accesso, mapping e analisi spaziale sia per dati spaziali che per attributi, per supportare le attività decisionali dell’organizzazione”, Grimshaw
1995 [6].
● “Un sistema informativo geografico è un insieme organizzato di hardware,
software, dati geografici e persone progettato per raccogliere, immagazzinare, manipolare, analizzare e rappresentare in modo efficiente tutte le forme di informazione geograficamente referenziata”, ESRI [7].
Da queste definizioni discende che un Sistema Informativo Geografico è un sistema informativo computerizzato che ha la capacità di elaborare dati spaziali e dati non spaziali, di trasformare questi dati in informazioni, di integrare differenti tipi di dati, di analizzare e di modellare i fenomeni che occorrono sulla superficie terrestre, di fornire supporto alle decisioni.
Non si devono confondere però i GIS con gli strumenti software che si occupano di trattare i dati e di rappresentarli graficamente. I GIS vanno infatti considerati come un insieme organizzato di procedure, risorse umane e risorse materiali utilizzate per la raccolta, l’archiviazione, l’elaborazione e la comunicazione di informazioni.
Questo sistema informatico, accoppiando un database ad una cartografia digitale, permette di gestire al meglio, utilizzando un computer, una porzione di territorio.
Il GIS consente di creare mappe, integrare informazioni, visualizzare scenari, risolvere complessi problemi e sviluppare effettive soluzioni esprimibili sia in forma cartografica che nella forma quali-quantitativa.
10
1.2
Come funziona il GIS
I dati nel GIS rappresentano un modello del mondo reale (Burrough, 1986) [2]. Se si estende questo concetto ne consegue che un GIS rappresenta in un computer il mondo reale allo stesso modo in cui una carta tradizionale rappresenta il mondo sul supporto cartaceo.
Il modo in cui i dati sono archiviati nel GIS è profondamente diverso da quello in cui lo sono sulla carta. I dati nel GIS, siano essi punti, linee o aree, sono descritti da numeri ed archiviati come grandezze numeriche che rappresentano le coordinate (x, y) dei dati.
Utilizzando le coordinate (x, y) il GIS è in grado di manipolare la geometria dei dati e le relazioni tra di essi per creare nuove informazioni. Questa capacità conferisce al GIS la potenza analitica che la carta non possiede.
Con il GIS è possibile associare ai dati geografici le informazioni descrittive ad essi relative. Queste prendono il nome di attributi e possono comprendere un’ampia gamma di dati. Gli attributi sono organizzati secondo uno schema matriciale di righe e di colonne: ogni colonna o campo contiene i valori dell’attributo ed ogni riga o record rappresenta i valori di tutti gli attributi relativi ad un singolo elemento geografico. L’insieme delle righe e delle colonne in cui gli attributi sono organizzati prende il nome di tabella. Più tabelle possono essere associate agli elementi geografici, ognuna comprendente un insieme concettualmente correlato di caratteristiche di quegli elementi. La creazione, organizzazione e gestione delle tabelle è compito specializzato del sottosistema del GIS di gestione dei dati.
Il legame tra elementi geografici e attributi è la caratteristica base del funzionamento del GIS. Questo legame è realizzato mediante un identificatore, ovvero un codice unico composto da numeri o da numeri e lettere, che viene assegnato contemporaneamente all’elemento geografico e al record che identifica l’insieme dei suoi attributi nella tabella. Così se un fiume ha come identificatore il numero 7, basterà che il record di attributi ad esso corrispondente abbia il numero 7 come identificatore perché il legame sia realizzato. In tal modo un codice unico è associato sia all’elemento geografico
11
che al record che contiene gli attributi. La tabella degli attributi contiene in genere un campo denominato ID in cui sono archiviati tutti gli identificatori.
L’esistenza di un tale legame permette di richiamare gli attributi a partire dai dati geografici e/o di accedere ai dati geografici in base agli attributi delle tabelle. Questo legame consente al GIS di visualizzare le carte in modo dinamico, sulla base di qualunque attributo prescelto. Inoltre, lo stesso elemento geografico può essere rappresentato con simboli e grafiche differenti a seconda dell’attributo selezionato.
In sostanza il GIS può individuare elementi geografici selezionando qualunque tipo e numero di attributi e può renderli visibili in forma di carta grazie al legame tra essi instaurato.
1.3
A cosa serve un GIS
Il GIS offre ampie possibilità di interazione con chi lo utilizza e un insieme di strumenti che ne facilitano la personalizzazione e l'adesione alle problematiche specifiche [8].
Tutti i settori che si occupano dello studio e della gestione del territorio trovano nel GIS la possibilità di integrare dati che appartengono a formati di rappresentazione, scale e sistemi di riferimento diversi e di elaborarli ed analizzarli secondo determinati obiettivi conoscitivi.
In particolare il GIS può essere utilizzato per:
● Effettuare ricerche ed analisi geografiche. In questo caso le domande a cui è possibile rispondere sono molteplici:
¾ Quale centro di servizi è meglio raggiungibile? ¾ Quanto sono vicine le possibili alternative?
¾ Dove sono i siti più idonei per attivare un nuovo centro di servizi? ¾ Quanti potenziali utenti vivono a meno di 1 Km dal centro di servizi?
● Incrementare e sviluppare l'integrazione all'interno di una Organizzazione, attraverso un migliore utilizzo delle risorse e un maggiore scambio di informazioni e visibilità fra gli uffici.
12
● Produrre Cartografie e Sviluppare Modelli. Si riesce ad ottenere una visualizzazione geografica dei vari stadi di una simulazione,conservando la continuità spaziale del database geografico ed l’indipendenza dalla scala di restituzione.
● Trovare soluzioni ed aiutare a prendere decisioni tramite determinati strumenti di interrogazione, analisi e restituzione cartografica che possono essere di supporto ai processi decisionali.
2.
Strutture, formati e modelli dei dati in un GIS
2.1
Componenti di un GIS
Un Sistema Informativo Geografico [9] essenzialmente è costituito da:
¾ un Software dedicato, ¾ un Hardware dedicato, ¾ i dati spaziali,
¾ le persone,
¾ le procedure per l’analisi dei dati.
13
Il Software è una struttura informativa che dispone di funzioni e strumenti necessari a raccogliere, analizzare, e visualizzare le informazioni geografiche. Gli elementi fondamentali sono:
● un Database Management System (DBMS) che possa essere processato;
● le risorse software per le operazioni di filtraggio, traduzione grafica e riformattazione, nel caso in cui i dati abbiano natura e sorgente diversificata, per il loro confronto;
● un’interfaccia con l’utente di tipo grafico (GUI), per consentire un facile accesso; ● strumenti per l'input e la gestione dei dati geografici;
● strumenti che permettano di effettuare interrogazioni, analisi e visualizzazioni di tipo geografico.
Per Hardware dedicato si può intendere un Server per funzioni centralizzate oppure una rete informatica per la diffusione e la comunicazione dei dati già noti e per la ricerca di processi utili o di altri dati utili, ottenibili via rete.
I dati spaziali, di tipo geografico, possono essere prodotti autonomamente o acquistati da rivenditori specializzati. Nel GIS i dati geografici provenienti da fonti diverse vengono poi integrati tramite l’uso di un database relazionale scelto per la gestione delle varie tipologie di dati.
Con persone si intende tutti quelli che si servono del GIS, dagli utenti generici, che lo utilizzano quotidianamente nel proprio lavoro, ai Tecnici esperti, per la Gestione e Sviluppo del Sistema, per la Gestione di Piani e lo Sviluppo di Soluzioni di problemi pratici.
Infine è necessario un certo numero di procedure per il trattamento e l’analisi dei dati. Infatti affinché il Sistema esprima tutte le sue potenzialità è necessaria una buona progettazione dei Piani di utilizzo, una attenta definizione delle Regole di implementazione, ma soprattutto una buona Formazione e Pratica operativa specifica per ogni settore.
14 Un elemento fondamentale del Sistema Informativo Geografico [10] è il database, una raccolta di mappe ed informazioni associate in forma digitale.
Siccome il database concerne le caratteristiche di superficie di terra, può essere considerato composto da due elementi:
● un database spaziale che descrive la geografia (forma e posizione),
● un database di attributo che descrive le caratteristiche o qualità di questi luoghi.
Per esempio, nel caso degli archivi dei comuni si può avere una mappa catastale con particelle di proprietà definite nel database spaziale e qualità associate, come l’uso della terra, il proprietario e la valutazione della proprietà, nel database di attributo.
In alcuni sistemi, i database spaziali e di attributo sono distinti rigidamente l’uno dall’altro, mentre in altri sono integrati in una sola entità.
Esistono differenti schemi di DBMS, ma nei GIS lo schema generalmente più utilizzato e diffuso è quello relazionale.
Nello schema relazionale i dati sono concettualmente memorizzati come una collezione di tabelle. Alcuni campi comuni fra le differenti tabelle sono utilizzati come chiave di relazione.
Fig. 1.2 : Mappe sovrapposte di diversi attributi relativi alla
stessa regione
Fig. 1.3 : Un database con i relativi valori di attributo
15
Intorno al database centrale, abbiamo una serie di componenti software. Il basilare è il Sistema dell’Esposizione Cartografica. Questo Sistema permette di prendere elementi selezionati dal database e produrre mappe come output sullo schermo o su stampanti. La capacità di produzione cartografica fra sistemi di software di GIS è grande. La maggior parte di questi offre solamente una produzione cartografica di base, e conta molto sull'uso di altri sistemi software per le necessità di produzione più sofisticate.
Dopo l’esposizione cartografica, elemento essenziale è un sistema che digitalizzi la mappa. Con un Sistema di Digitalizzazione di mappa, si possono prendere mappe di carta esistenti e convertirle in formato digitale, sviluppando ulteriormente il database.
Nel metodo più comune di digitalizzare, si sovrappone la mappa di carta ad una tavoletta grafica e si tracciano poi le caratteristiche di interesse con un mouse secondo le procedure richieste dal software. Molti sistemi che digitalizzano mappe lasciano spazio alla redazione dei dati digitalizzati.
Gli analizzatori possono essere usati anche per digitalizzare altri tipi di dati come le fotografie aeree. Il risultato è un'immagine grafica. Il software che analizza fornisce agli utenti una varietà di formati grafici standard da esportare. Questi documenti sono importati poi nel GIS.
Alcuni esempi di sistemi di software che offrono la possibilità di aggiungere informazioni di mappa digitalizzate al database sono il Disegno Assistito da Computer (CAD) e la Geometria Coordinata (COGO), che inoltre offrono la possibilità di esposizioni cartografiche.
Fino ad ora è stato descritto un insieme potente di prodotti in grado di digitalizzare dati spaziali e legare attributi alle caratteristiche immagazzinate, analizzare questi dati basati su quegli attributi e tracciare il risultato. Ma tale set di capacità non costituisce necessariamente un vero GIS.
Il componente che manca è la possibilità di analizzare dati, basandosi su caratteristiche veramente spaziali. Per questo c’è bisogno di un Sistema di Analisi Geografico.
16 estendono le capacità di consultazione di database tradizionale per includere l'abilità di analizzare dati a seconda della loro ubicazione.
Per esempio, supponiamo di voler trovare tutte le aree residenziali su tipi di roccia associati a livelli alti di gas radon. Questo è un problema che un DBMS tradizionale non può risolvere perché i tipi di roccia e le divisioni di uso del terreno non condividono la stessa geografia. Per questo abbiamo bisogno di un GIS. Infatti, l'abilità di comparare
caratteristiche diverse basata sul comune accadimento geografico è il marchio del GIS. Questa analisi è portata a termine attraverso un processo chiamato overlay, così chiamato perché è identico alla sovrapposizione di mappe trasparenti dei due gruppi di entità l'uno sull'altro.
Il Sistema di Analisi Geografico può avere un'interazione di due tipi col database. Infatti oltre a poter accedere ai dati dal database, così ugualmente può aggiungere al database i risultati di una determinata analisi. Così le capacità analitiche del Sistema di Analisi Geografico ed il DBMS hanno un ruolo vitale nell'estendere il database attraverso alcune operazioni che possono essere svolte sugli attributi.
Oltre a tutti questi sistemi appena descritti, alcuni software includono anche la possibilità di analizzare immagini ottenute tramite telerilevamento ed offrire analisi statistiche e specializzate. I software di
Analisi di Immagine permettono di prendere
l’immagine telerilevata da un satellite e convertirla in dati di mappa interpretati secondo le varie procedure di classificazione. Il GIS offre molti set di strumenti per l'interpretazione di dati telerilevati, dalle procedure statistiche tradizionali alle tecniche specializzate per l'analisi dei dati spaziali.
Fig. 1.4 : Attributi del territorio
Fig. 1.5 : Immagine rilevata dal satellite
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2.3 Rappresentazione
Molte operazioni geografiche hanno come obbiettivo finale la stampa di mappe o grafici. Le mappe sono un modo molto efficiente per mostrare le informazioni geografiche, specie se vanno diffuse ai non addetti ai lavori. Gli strumenti compresi nel GIS consentono una nuova creatività ed estendono le capacità descrittive e comunicative alla disciplina della cartografia.
Un Sistema di Informazioni Geografiche immagazzina due tipi di dati che sono trovati su una mappa [11]:
le definizioni geografiche delle caratteristiche della superficie della Terra
gli attributi o qualità che quelle caratteristiche possiedono.
Le posizioni dei dati sulla carta sono riferite alle posizioni reali dei fenomeni del mondo reale che essi rappresentano. La posizione di qualunque fenomeno sulla superficie terrestre, che è sferica, è misurata in gradi di latitudine e longitudine (coordinate geografiche). Sulla carta, che è piatta, le posizioni sono riferite ad un sistema bidimensionale di coordinate planari, che identificano la posizione di un elemento come distanza da un’origine (0,0) misurata lungo due assi (x, y).
Per trasferire gli elementi dalla superficie sferica della Terra a quella piatta della carta si utilizzano le proiezioni cartografiche, nient’altro che formule matematiche che trasformano latitudine e longitudine in coordinate x,y.
Il GIS ha la capacità di operare tale trasformazione rendendo possibile mettere insieme dati con proiezioni e riferimenti differenti e relativi ad una stessa porzione di territorio. Ciò è possibile proprio perché i dati sono convertibili in uno stesso sistema di riferimento e coincidono geograficamente. Ad esempio la carta dell’altimetria e della vegetazione di una regione di territorio devono coincidere se sovrapposte in quanto i due temi sono relativi allo stesso ambito geografico. Se le due carte hanno sistemi di riferimento diversi esse non coincideranno ma risulteranno sicuramente sfalsate.
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La complessità della realtà ha bisogno di essere semplificata per poter essere interpretata e rappresentata nel GIS. Questa semplificazione costituisce il modello dei dati.
I dati geografici rappresentano sia fenomeni naturali, ad esempio fiumi e laghi, sia fenomeni risultanti dalle azioni dell’uomo come strade e confini amministrativi. I dati che di solito vengono registrati in un GIS rappresentano aspetti della realtà di interesse dell’utente ed oggetto delle sue applicazioni specifiche.
Vi sono due modelli principali per rappresentare i dati nel computer: il modello
vettoriale ed il modello raster [10]. I GIS permettono la coabitazione dei formati
vettoriale e raster e il passaggio dall'uno all'altro di tali modelli. L'esigenza di utilizzare i dati appartenenti ad un sistema da parte di un altro sistema con formati diversi ha portato a definire degli standard di trasferimento dei dati tra due sistemi GIS . Tipici formati standard di trasferimento di dati vettoriali sono il DXF e IGES. Ai dati raster appartengono i formati di trasferimento TIFF, RLC, BIP, GRASS, GRID .
Nei sistemi GIS evoluti sono presenti risorse per il passaggio veloce da un formato all'altro a seconda del tipo di dati da trasferire. Si sottolinea come la presenza di informazioni topologiche che accompagnano i dati vettoriali e raster assicuri non solo la rappresentazione corretta di immagini di oggetti georeferenziati, ma anche la ricostruzione della loro fruibilità e consistenza. La differenza fondamentale tra dati CAD e GIS consiste nel fatto che i primi si limitano a rappresentare la consistenza geometrica di un oggetto, i secondi ne determinano anche la struttura e le connessioni interne.
I dati vettoriali e i dati raster si adattano ad usi diversi. Pertanto dati raster e vettoriali, relativi alla stessa area geografica, si integrano e completano a vicenda. La cartografia vettoriale è particolarmente adatta alla rappresentazione di dati che variano in modo discreto, come la rappresentazione delle strade o una carta dell'uso del suolo. La cartografia raster è più adatta alla rappresentazione di dati con variabilità continua, ad esempio la variazione continua dell'umidità di una area agricola.
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In realtà il territorio da rappresentare possiede strade e prati insieme ed insieme dovranno essere processati i dati raster e vettoriali che li descrivono. Per questo motivo quasi tutti i GIS usano una o più combinazioni di queste due tecniche di rappresentazione.
2.4.1 Il modello vettoriale
I dati vettoriali corrispondono a dati geometrici memorizzati tramite i valori delle coordinate dei punti significativi dell'oggetto da descrivere.
Il modello vettoriale ha, come elementi fondamentali di rappresentazione, i punti, le linee e i poligoni, codificati e memorizzati sulla base delle loro coordinate. Un oggetto puntuale, come un pozzo, un foro di sonda, una sorgente, può essere rappresentato da una coppia di coordinate (x, y). Elementi lineari, come strade, fiumi, confini, sono descritti da una sequenza di punti. Elementi areali, come bacini idrici, entità geografiche, parchi naturali, zone di vendita, sono definiti da
poligoni, cioè da una sequenza di coordinate di punti che ritorna sul punto di origine. Nella rappresentazione vettoriale, i confini sono definiti da una serie di punti che, congiunti con linee diritte, formano la rappresentazione grafica caratteristica.
Fig. 1.7 : Rappresentazione vettoriale Fig. 1.6 : Combinazione di dati raster e vettoriali
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● i punti sono rappresentati mediante coppie di numeri che danno le coordinate (x,y). in sistemi lat / long o coordinate di Proiezione Traversa di Mercatore;
● le linee sono rappresentate dalla sequenza delle coppie di coordinate che definiscono i vertici ed i nodi (punti in cui due o più linee si intersecano);
● un elemento reale è rappresentato dalla sequenza delle coppie delle coordinate dei punti della spezzata chiusa che ne delimita l'area.
Gli attributi di caratteristiche sono invece immagazzinati con un programma di software di gestione di database (DBMS). Per esempio, una mappa di proprietà sarebbe allacciata ad un database di informazioni per l'indirizzo, il nome di proprietario e altre relative informazioni.
Il collegamento tra questi due file di dati può essere un semplice numero di identificazione che è dato ad ogni caratteristica nella mappa.
La quantità di memoria necessaria per stivare dati vettoriali è normalmente limitata. Tipiche sorgenti di dati vettoriali sono la digitalizzazione manuale di mappe storiche, rilievi topografici, sistemi CAD, ricevitori GPS.
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2.4.2 Il modello raster
La seconda forma di maggiore rappresentazione è nota come raster. Il modello raster utilizza una rappresentazione dello spazio geografico basata su una griglia di celle, in cui viene scomposta l'immagine. Queste celle di forma e misura regolare, i pixels, sono ordinate secondo linee e colonne.
La parola pixel è una contrazione del termine “elemento d’immagine”. Ogni cella possiede un valore alfanumerico, associato ad un attributo di tipo grafico o descrittivo, che esprime il parametro che i dati vogliono rappresentare (una temperatura, la densità di un fluido, la salinità di aree marine).
L'insieme dei dati raster corrisponde ad una mappa, con risoluzione corrispondente all'area delle celle, che rappresenta il variare del parametro considerato nell'area geografica descritta.
I pixel possono essere fatti variare in colore, forma o tono di grigio. Per fare un'immagine, i valori della cella nella griglia sono usati per regolare direttamente l'aspetto grafico dei loro pixels corrispondenti. I dati vengono controllati direttamente così in un sistema di raster.
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Come già detto ad ogni cella è assegnato un valore numerico per rappresentare l’identificazione di una caratteristica, un codice qualitativo o un valore di attributo quantitativo.
Anche se i dati fissati in queste celle non si riferiscono necessariamente a fenomeni che possono essere visti nell'ambiente, le griglie di dati possono essere pensate come immagini di alcuni aspetti dell'ambiente, o come strati, ognuno dei quali immagazzina un tipo di informazioni sulla regione della mappa.
I dati raster occupano, per la loro natura, una quantità notevole di memoria. Ciò può determinare una diminuzione della velocità di lavoro del sistema e una richiesta eccessiva di memoria di lavoro. Per i dati raster, contenuti in appositi file, è naturale ricorrere alla compressione dati per diminuire notevolmente i tempi di comunicazione e di stivaggio dei file relativi, con l'uso di processi di decompressione veloce quando i dati devono essere processati. Si pensi a righe consecutive della griglia raster che contengono valori costanti, per esempio una zona della mappa isotermica se l'attributo descritto è la temperatura. Se le celle sono migliaia e il valore di attributo è 22°, questo unico valore dovrebbe essere memorizzato migliaia di volte. La compressione porta a rappresentare questo insieme di migliaia di valori di attributo tramite il valore 22° seguito dal numero delle celle consecutive della griglia cui corrisponde. Ad esempio "22° 2334" rappresenta il ripetersi a partire dalla cella iniziale, per una estensione di 2334 celle consecutive, del valore di attributo 22°.
Anche se il processo di compressione è più complesso di quello indicato, si può comprendere che il file compresso con logiche simili, pur usando una minore quantità di memoria, non ha perso informazione.
Tipiche sorgenti di raster comuni sono gli scanner, gli apparecchi di rilievo fotografico satellitare gli ambienti software di manipolazione delle immagini.
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2.5
Analisi dei dati
Tra i vari strumenti forniti da un Sistema Informativo Geografico [12] per analizzare i dati ed estrarne le informazioni che più interessano l’utente quelli maggiormente utili sono:
● la consultazione del database, ● il sistema di Algebra su Mappa, ● gli Operatori di Distanza.
2.5.1 Consultazione del database
La consultazione del database visualizza informazioni già immagazzinate. In alcuni casi lo consultiamo in base all'ubicazione, in altri in base all'attributo.
Per esempio, se uno stesse cercando aree residenziali su un fondo roccioso, il primo passo sarebbe creare uno strato di aree residenziali solo riclassificando ogni codice di uso del terreno solo in due valori:
¾ un 1 ogni qualvolta un'area è residenziale, ¾ uno 0 per tutti gli altri casi.
Lo strato risultante è noto come un strato Booleano o logico, dal momento che mostra solamente relazioni di vero/falso; questo strato mostra solamente quelle aree che soddisfano la condizione (1 vero = verde) e quelli che non lo fanno (0 falso = blue).
Una volta creato che lo strato residenziale, uno strato geologico viene riclassificato per creare un altro strato Booleano che mostri aree con fondi rocciosi (rosso).
A questo punto possiamo combinare le due condizioni con un' operazione di overlay e notare in viola le aree geografiche che soddisfano le due condizioni.
Fig. 1.11 : Overlay tra due strati logici
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paragrafo, permetterà la produzione di strati nuovi, basata su delle combinazioni logiche o matematiche di due o più strati di contributo. Nel caso di consultazione di database, le operazioni logiche di interesse sono l'AND e l'OR, noti anche come Intersezione e Unione.
2.5.2 Algebra su Mappa
Un altro strumento che un GIS offre è quello per combinare matematicamente strati di mappa. La modellatura in particolare richiede l'abilità di combinare strati secondo le varie equazioni matematiche.
Il sistema di Algebra su Mappa offre tre generi diversi di operazioni:
1. la possibilità di cambiare aritmeticamente i valori di dati di attributo tramite una costante (l'aritmetica scalare);
2. la possibilità di trasformare matematicamente valori di dati di attributo con un'operazione standard (come le funzioni trigonometriche);
3. la possibilità di combinare matematicamente (aggiungere, sottrarre, moltiplicare, dividere) strati di dati diversi per produrre un risultato composito. Questa terza operazione è semplicemente un'altra forma di overlay, l’overlay matematica, come opposto all'overlay logico di consultazione di database.
L’abilità di trattare strati di mappa come variabili in formule algebriche è una capacità del GIS enormemente potente.
2.5.3 Analisi delle Distanze
Il terzo gruppo di attrezzi offerto dal GIS consiste negli Operatori di Distanza. Come suggerisce il nome, in queste tecniche la distanza gioca un ruolo chiave nell'analisi intrapresa.
Virtualmente tutti i sistemi offrono gli attrezzi per costruire zone di buffer, ovvero aree poste all'interno di una distanza specificata, contraddistinte da un tipo di caratteristica designata. Ogni sistema può valutare anche la distanza di tutte le ubicazioni più vicine all’area con le caratteristiche designate, mentre altri possono valutare ed incorporare anche effetti frizionali e barriere nei calcoli di distanza.
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Quando questi effetti frizionali sono incorporati, la distanza calcolata è riferita a una distanza di costo. Questo nome indica che il movimento ha un costo in soldi, in tempo o sforzo. Gli attriti e le barriere aumentano quei costi. Quando i costi di movimento da uno o più ubicazioni sono valutati per una regione intera, ci si riferisce al risultato come una superficie di costo. In questo caso, le aree a basso costo, vicine presumibilmente al punto iniziale, possono essere considerate valli, mentre quelle ad alto costo possono essere considerate colline.
Una superficie di costo così ha il suo punto più basso nell’ubicazione iniziale ed il suo punto più alto nelle ubicazioni più lontane, nel senso del più grande costo accumulato.
Ci possono essere casi in cui gli attriti non incidono sul costo di movimento nello stesso modo in tutte le direzioni, ovvero quando agiscono anisotropicamente.
Un esempio potrebbe essere un panorama dove gli attriti sono dovuti a pendii incontrati. Salendo un pendio ripido si incorrerebbe in un costo che sarebbe più alto rispetto all’andare giù lungo lo stesso pendio ripido. La direzione di movimento attraverso attriti è importante, e deve essere presa in considerazione quando si sviluppa sulla superficie di attrito.
Specificato il concetto di una superficie di costo, si può dire che i Sistemi di Informazioni Geografiche offrono anche analisi di costo di percorso. Lo scopo è valutare il percorso di costo minimo tra due ubicazioni. Ed è proprio la superficie di costo che offre le informazioni necessarie che possono permettere a questo di essere valutato.
Fig. 1.12 : Superficie di costo
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è l'allocazione. Serve ad assegnare ubicazioni all’area più vicina con le caratteristiche designate. Si posizioneranno quindi un set di installazioni di studi medici, desiderando indirizzare i residenti a quello più vicino, dove per "vicino" si intende la distanza lineare o una distanza di costo.
2.6 Modelli
Anche se la consultazione del database e il rilevamento derivativo costituiscono i capisaldi dell'analisi di GIS intrapresa oggi, c'è un’altra area che offre un incredibile potenziale: il processo o Simulazione di Modelli. Il termine “Processo” si riferisce alla catena causale grazie alla quale alcuni eventi hanno luogo.
2.6.1 Tratti di Modellatura
Il processo di modellatura è una prospettiva eccitante per il GIS. È basato sulla nozione che nel GIS, il database non rappresenta semplicemente un ambiente, ma è un ambiente. Come tale è capace di essere misurato, manipolato ed attuato su dei processi geografici e temporali. Il database funziona come un laboratorio per l'esplorazione di processi in un ambiente complesso.
Spesso anche conoscenze molto semplici producono modelli complessi, quando permessi dall’interazione con l'ambiente.
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Un genere diverso è il supporto alle decisioni che può essere sostenuto ed in qualche modo modellato con l'uso di GIS. Infatti la tecnologia di GIS sta divenendo sempre più importante come uno strumento per appoggio di decisione.
2.6.2 La modellazione tridimensionale
Un modello di un oggetto tridimensionale GIS è un sistema a tre coordinate reali che può essere generato in diversi modi [13].
Se gli elementi quotati dell'oggetto si presentano in ordine sparso, si utilizza un algoritmo in grado di descrivere l'oggetto tramite una rete irregolare di triangoli quotati. L'algoritmo di modellazione si chiama TIN (Triangulated Irregular Network).
Se è disponibile, invece, una rete o griglia regolare di punti quotati descrivente l'oggetto, è possibile un modello tridimensionale DTM (Digital Terrain Model) o DEM (Digital Elevation Model) che permettono al sistema di ricavare mappe di livello, analisi di visibilità, analisi della pendenza, viste 3D e molto altro.
In particolare dalla costruzione di un modello TIN, DTM, DEM, è possibile ricavare la distanza reale tra due punti, individuare il percorso minimo e generare interpolazioni di quota.
Tutte queste operazioni si indicano come: " funzione di modellazione tridimensionale GIS" e corrispondono ad operatori specifici appartenenti agli ambienti di sviluppo GIS più evoluti.
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Il GIS consente di mettere in relazione tra di loro dati diversi, sulla base del loro comune riferimento geografico in modo da creare nuove informazioni a partire dai dati esistenti. Il GIS offre un insieme di strumenti che ne facilitano la personalizzazione e l'adattamento alle problematiche specifiche dell'utente.
I GIS presentano normalmente delle funzionalità di analisi spaziale ovvero di trasformazione ed elaborazione degli attributi degli elementi geografici [14].
Esempi di queste elaborazioni sono:
● l'overlay topologico: una sovrapposizione tra gli elementi dei due temi per creare un nuovo tematismo;
● il buffering: da un tema puntuale, lineare o poligonale definire un poligono di rispetto ad una distanza fissa o variabile in funzione degli attributi dell'elemento; ● La network analysis (analisi di rete) : algoritmi che da una rete di elementi lineari
(es. rete stradale) determinano i percorsi minimi tra due punti. ● l’analisi delle reti a grafo;
● La segmentazione: algoritmi di solito applicati su temi lineari per determinare un punto ad una determinata lunghezza dall'inizio del tema;
3.1 Overlay
topologico
L'overlay topologico rappresenta la funzione base di un GIS. I diversi gusci informativi descriventi un particolare oggetto geografico (dati geometrici, dati topologici, vari livelli di attributi informativi, informazione sugli oggetti collaterali) devono essere integrabili e formare un livello informativo in cui siano sovrapponibili e sommabili logicamente in base alla particolare ricerca richiesta dall'utente.
Le funzioni di sovrapposizione si dividono in tre gruppi principali: punti su poligoni, linee su poligoni, poligoni su poligoni. Se, ad esempio, in un'area geografica (poligono principale) è presente una palificazione, una conduttura idraulica e una vasca di raccolta delle acque, la sovrapposizione dei livelli informativi relativi ai pali (punti) rispetto
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al livello informativo base relativo all'area (poligono di riferimento), tramite un operatore di overlay punto su poligono, permette la conoscenza della struttura dell'ancoraggio dei pali rispetto alla natura del terreno e la previsione della loro buona tenuta in base alle caratteristiche chimiche del terreno
circostante. Un operatore di overlay linea su poligono potrà individuare le caratteristiche geologiche della zona scavata per mettere in opera la conduttura, l'eventuale capacità del terreno di assorbire una perdita liquida. Infine un operatore di overlay poligono su poligono potrà individuare le modificazioni dell'area circostante la vasca, eventuali perdite della stessa, la probabilità di una possibile frana che possa interessarla.
Come si vede sono possibili visualizzazioni e mappature grafiche ma, soprattutto, analisi non banali e ricerche che sfruttano tutte le informazioni accessibili. Si pensi alle applicazioni in un progetto di edificazione di fabbricati di civile abitazione e dei relativi servizi in area geologicamente dissestata o a rischio di terremoti.
3.2
Operatore di buffering
La funzione di buffering consente all'operatore di creare una zona di rispetto confinante con un elemento geografico mappato in un GIS. Ad esempio una linea corrispondente ad un elettrodotto deve essere evidenziata con la sua area di rispetto in cui è presente un possibile inquinamento elettromagnetico. La funzione di buffering può creare, secondo le specifiche date dall'operatore, tale zona che può non essere di ampiezza costante ma parametrizzata: ad esempio dipendente dal raggio di curvatura dell'elettrodotto o dall'umidità presente nel suolo o dalla densità di vegetazione del terreno o dalla sua tensione di esercizio. Sono possibili buffering asimmetrici rispetto ai due lati della linea che individua l'elemento geografico. Il risultato del buffering è sempre un livello informativo di tipo poligonale che potrà essere utilizzato nelle successive analisi.
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3.3 Analisi
di
rete
L'insieme di operatori e funzionalità chiamate analisi di rete consiste nelle risorse per realizzare particolari analisi di strutture geografiche disposte in rete di elementi. Ad esempio una rete può descrivere l'insieme delle strade di una città o le condutture del suo impianto di distribuzione dell'energia elettrica. Alcune tipiche funzionalità relative all'analisi di rete sono:
● Determinazione del minimo percorso: capacità di individuare il percorso minimo tra due punti qualsiasi della rete.
● Allocazione di risorse: una sorgente di risorse o servizi è connesso alla rete che contiene i relativi consumatori o clienti. L'analisi di allocazione delle risorse può stabilire la quantità di risorse richieste in un punto della rete e il flusso di risorse che la sorgente è in grado di inviarvi. Si pensi all'analisi relativa ad una rete telefonica ed al numero di linee libere richieste per soddisfare gli utenti relativi ad un particolare distretto telefonico.
● Connettività tra punti della rete: capacità di determinare un percorso che connetta due punti della rete in alternativa a quello realizzato. Si pensi alla possibilità di individuare un percorso ferroviario che connetta due città in caso di interruzione di una linea per incidente.
3.3.1 Analisi delle reti a grafo
Una rete a grafo corrisponde ad una struttura complessa di elementi lineari tra loro variamente connessi. Si pensi ad una rete telefonica disposta su un territorio, oppure una rete fognaria e simili.
La descrizione di una rete a grafo necessita chiaramente dei dati topologici che individuano le proprietà di connessione/sconnessione dei vari elementi, il minimo percorso tra punti caratteristici, allocazione e densità di risorse presenti sui percorsi.
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Una struttura dati topologica con queste potenzialità si chiama lineare e consente di trattare il valore dei vari attributi tramite valori alfanumerici che possono essere processati da appositi algoritmi.
L'insieme degli algoritmi e dei metodi per analizzare una rete a grafo deve essere accessibile all'utente per mezzo di operatori forniti dal sistema GIS in uso.
3.4 Segmentazione
dinamica
Una funzionalità ancora più potente, chiamata segmentazione dinamica, consente di attribuire contenuti informativi diversi non solo ai singoli componenti del grafo geografico considerato, le linee, ma anche ai suoi segmenti.
Il progettista del grafo può, dunque, spezzare le linee in segmenti. Questi segmenti sono trattati dal GIS come linee continue per quanto riguarda il livello informativo corrispondente alla struttura geometrica o logico- topologica, ma come elementi diversificati per ciò che riguarda il valore di particolari attributi.
Ad esempio, una rete a grafo rappresentante un sistema di strade di comunicazione su un territorio può essere descritta da elementi lineari, rappresentanti le singole strade, completi dei dati topologici di connessione utili per evidenziare la struttura base. Ogni linea, rappresentante una strada, può essere segmentata in una successione di archi per descrivere lo stato della pavimentazione, la tendenza a presentare lastre di ghiaccio, i limiti di velocità permessi. Da un punto di vista logico topologico gli elementi lineari sono connessi e la struttura è continua; da un punto di vista dei detti attributi, la rete è descritta tramite suddivisione in segmenti.
Il sistema GIS dovrà essere in grado di relazionare attributi e valori strutturali in un sistema informativo unico.
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4. Parametri
e
qualità dei sistemi GIS
Per potere valutare la bontà di un Sistema Informativo Geografico si deve fare innanzitutto una distinzione tra le qualità globali del sistema relative alle sue caratteristiche generali e le qualità locali che individuano specifiche particolari.
Tra i parametri che determinano le qualità globali i principali sono:
● l'esaustività o completezza d'informazione,
● l'attualità o vicinanza del tempo relativo alla rilevazione dei dati a quello attuale, ● la genealogia. intesa come qualità delle fonti o sorgenti dei dati.
L'esaustività e la genealogia richiedono valori di riferimento che servono all’utente come termine di confronto per valutare la qualità del sistema. L'attualità è, invece, un attributo assoluto relativo a tutti i dati processabili.
La qualità locale è individuabile tramite un complesso di parametri che possono essere definiti anche dall'utente quando usa il sistema per particolari scopi. Alcuni dei parametri più informativi sono:
● la precisione metrica, ovvero la differenza tra posizione presunta e reale di un oggetto georeferenziato nel sistema;
● la risoluzione, ovvero le dimensioni assolute dell'oggetto più piccolo che può essere rappresentato dal sistema;
● la precisione semantica, ovvero la distanza tra il valore d'attributo associato ad un oggetto rilevabile dal sistema e il suo valore reale;
● la congruenza logica, ovvero la mancanza di contraddizioni logiche tra dati e attributi associati ad un oggetto. Ad esempio la congruenza logica impedisce che una linea isotermica ne possa incrociare un'altra;
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Se il GIS possiede funzioni di rilevamento della qualità, sono individuabili priorità e valori attribuibili alle singole voci dette che possono infine condensarsi in un attributo di qualità totale sia per le funzioni supportate che per il sistema stesso.
5.
Caratteristiche salienti del GIS
Le caratteristiche salienti dell'ultima generazione dei GIS sono individuabili:
● nella modularità (prodotti per l'editing e l'aggiornamento dei dati, prodotti server integrati in database relazionali, prodotti client per la consultazione e l'analisi, librerie di oggetti per lo sviluppo di applicazioni specifiche, modelli di simulazione);
● nella interoperabilità, la capacità cioè di leggere differenti formati di dati (utilizzati dalle differenti piattaforme ed applicativi software presenti sul mercato), di accedere a strutture differenti di banche dati, di generare al volo banche dati virtuali e di cooperare con altri software anche di produttori diversi;
● nella fruibilità sempre più rivolta agli utenti finali (cittadini, professionisti, enti ed associazioni pubbliche e private), attraverso specifiche estensioni per la pubblicazione dei dati su reti distribuite, quali Internet e Intranet, anche grazie alle nuove tecnologie di telecomunicazione terrestri e satellitari ed allo sviluppo di soluzioni applicative direttamente utilizzabili anche da utenti privi di specifiche professionalità. Ciò permette di estenderne l'uso a platee di utilizzatori ben più ampie di quelle attuali, assicurando un ritorno reale dei notevoli investimenti che vengono fatti e favorendo un sempre maggiore sviluppo di questi strumenti.
I Sistemi Informativi Geografici sono pertanto in forte sviluppo in tutti i settori grazie alla evoluzione tecnologica dell' hardware, del software e delle reti.
Nel mondo universitario e della ricerca scientifica i GIS entrano sempre più decisamente nei programmi di formazione e di collaborazione, mentre nel settore privato sempre maggiori applicazioni GIS trovano utilizzo in aspetti di marketing e di logistica (automobilistico, finanziario, immobiliare, delle telecomunicazioni).
34
6.
Come si progetta un GIS
Il progetto di un GIS si articola secondo un modello logico in più livelli:
● La definizione degli obiettivi ● La creazione del database ● L'analisi dei dati
● La presentazione dei risultati
6.1
La definizione degli obiettivi
L’individuazione degli obiettivi guida l'impostazione del sistema. Per iniziare, ecco alcune domande da porsi:
● Qual è il problema da risolvere?
● Quali sono le soluzioni finora adottate?
● Il problema può essere risolto in modo alternativo e più efficace utilizzando le metodologie GIS?
● Quali sono i prodotti finali che devono scaturire dal progetto? ● Chi sono i destinatari di questi prodotti?
● I dati utilizzati possono essere impiegati anche in altri settori? Se è così, quali devono essere le specifiche esigenze?
6.2
La creazione del database
Alla definizione delle esigenze segue la strutturazione del database, punto fondamentale nella creazione del GIS: dal contenuto e dall'organizzazione concettuale della banca dati dipende la qualità dell'analisi e dei risultati.
35 In questa fase è necessario:
● individuare i dati spaziali utili per risolvere un problema ● eseguire rigorosi controlli di qualità sui dati
● definire le modalità di immissione dei dati nel GIS
● individuare gli attributi alfanumerici da associare ai dati spaziali e organizzare le tabelle
● impostare i dati in più piani tematici
6.3 L'analisi
dei
dati
Il GIS dimostra tutta la sua potenzialità nell'effettuare analisi spaziali. Operazioni di interrogazione e di analisi possono essere eseguite sui dati geografici, sugli attributi o in modo integrato sugli uni e sugli altri, su un singolo livello tematico o sulla combinazione di più livelli, in modo da ottenere piani dal contenuto informativo diverso da quelli originari.
Il GIS può rispondere ad interrogazioni come:
● Dove sono le zone ad uso agricolo?
● Quale è la destinazione d'uso dell'area corrispondente a queste coordinate? ● Quanti canali di irrigazione ci sono in una determinata zona agricola? ● Quanto è lungo questo sentiero?
Il GIS può creare modelli ed esplorare tutti gli scenari possibili che derivano dalle scelte di gestione e di pianificazione territoriale, rispondendo a quesiti come:
● Quali sono gli spazi più idonei per l'edificazione di una nuova area residenziale? ● Quale è l'area di rispetto che bisogna prevedere intorno al corso di un fiume per la
costruzione di edifici?
● Quale è il percorso minimo per raggiungere un'area boschiva in caso di incendi? ● Quale è l'impatto della costruzione di una nuova autostrada sulle preesistenze
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Il GIS offre numerose opzioni per presentare i risultati dell'analisi. I dati possono essere visualizzati in mappe, efficaci per comunicare informazioni geografiche attraverso simbologie e colori selezionabili a secondo delle esigenze di rappresentazione.
Le mappe possono essere corredate da tabelle, grafici, rappresentazioni tridimensionali e multimediali, animazioni, simulazioni e file.
Definizione degli obiettivi
Creazione del database
Analisi
Rappresentazione grafica
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7.
Le applicazioni dei GIS
Sino agli anni '70, i processi di pianificazione e di gestione del territorio erano legati più all'esigenza di conoscere la proprietà dei suoli che i loro contenuti tematici e topografici per cui, come strumenti operativi, venivano utilizzati esclusivamente le rappresentazioni cartografiche. Con la nascita ed il consolidarsi di un interesse sempre più profondo per le problematiche legate alla tutela ed alla difesa del territorio, nonché con l'affermarsi delle tematiche sulla salvaguardia dell'ambiente e dell'uso del suolo, l'elaborazione e la gestione di ogni politica inerente al territorio non ha più potuto fare affidamento sul semplice supporto cartografico, ma ha dovuto necessariamente utilizzare le potenzialità offerte dalle nuove tecnologie per il trattamento delle informazioni geografiche.
7.1
Utilizzo del GIS nelle Pubbliche Amministrazioni
Le Pubbliche Amministrazioni in quanto organizzazioni raccolgono, immagazzinano, elaborano e scambiano un'enorme quantità di dati. Per questo motivo l'apparato pubblico interagisce con l'ambiente ricavando da questo informazioni utili per sostenere i propri processi decisionali [15].
Le innovazioni tecnologiche, quali i Sistemi Informativi Geografici (GIS) e Internet, che si sono imposte recentemente sul mercato, stanno richiedendo, oltre ad una diffusa cultura di base scientifico-tecnica, un nuovo atteggiamento culturale che direttamente si riflette nelle metodiche di acquisizione, trattamento ed interpretazione dei dati.
L'esigenza di confrontarsi con lo spazio, che diviene il riferimento comune nel quale ricondurre profili di indagine diversi, ha posto in evidenza il superamento delle barriere delle ripartizioni delle competenze nella Pubblica Amministrazione, verso gestioni integrate piuttosto che parallele.
I GIS non sono di per sé una tecnologia nuova visto che le prime esperienze risalgono a più di 30 anni fa. Resta tuttavia il fatto che solo di recente il progresso nella performance di hardware e software e l'abbattimento dei costi hanno reso possibile una vera diffusione di questi sistemi al di fuori di enti di ricerca e al di là di pochi gruppi di pionieri.
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E' pertanto lecito ritenere che, per la maggior parte degli utenti, i GIS siano ancora una tecnologia recente, spesso ancora poco esplorata. I fattori principali che possono aver ostacolato la diffusione dei GIS e condizionato il loro utilizzo nella Pubblica Amministrazione possono sintetizzarsi in scarsa consapevolezza informatica, in mancanza di supporti cartografici di base validi in termini di aggiornamento e di scala, in mancanza di dati ambientali e territoriali di base.
Il GIS fornisce agli enti amministrativi le risposte più adatte per: ● eseguire analisi geografiche,
● progettare interventi nel territorio,
● prefigurare scenari congruenti con le modifiche che la realtà subisce, ● simulare effetti di eventi naturali (alluvioni, incendi),
● simulare interventi umani (come azioni di pianificazione), ● monitorare il territorio,
● sostenere processi decisionali,
● migliorare la gestione delle proprie risorse.
7.2 Gestione
delle emergenze
L’ambiente è continuamente sottoposto a pericoli dovuti ad attività antropiche e fenomeni naturali, quali contaminazioni chimiche organiche ed inorganiche, incendi, erosione, frane, inondazioni, terremoti.
Un Sistema Informativo Geografico permette di combinare insieme i parametri coinvolti creando stime previsionali sugli indici di rischio.
La successiva realizzazione di mappe del rischio consente facili considerazioni sull’urgenza di interventi e la programmazione di strategie di mitigazione nelle aree indagate.
Di seguito sono riportate alcune possibili applicazioni del GIS per prevenire alcune situazioni di emergenza e per gestirle nel miglior modo possibile.
