Capitolo 2_________________________________________Il Modello Digitale del Terreno
2 . I L MODELLO
DIGITALE DEL TERRENO
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2.1. Dati sorgente
Nel mese di marzo del 2004, spinto dalla curiosità e dalla necessità di applicare alla preistoria sarda un trattamento informatico dei dati archeologici, dopo previa ricerca sul Web, contattai telefonicamente gli uffici regionali del SERVIZIO DELLA PIANIFICAZIONE TERRITORIALE E DELLA CARTOGRAFIA, ASSESSORATO GENERALE DELLA PIANIFICAZIONE URBANISTICA TERRITORIALE E DELLA VIGILANZA EDILIZIA della REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA. Esposi l’idea di preparare la tesi di laurea sulla Sardegna e di avere bisogno di alcuni dati geografici in formato digitale. Mi risposero di farne domanda scritta e di inviarla accompagnata da un dvd registrabile e così feci. Dopo una settimana ricevetti, con grande stupore e felicità, un cd con 455 files in formato txt contenenti ognuno tre colonne con circa 15000/20000 righe contenenti dati numerici. Il plico era accompagnato da una lettera su carta intestata il cui oggetto era
“Consegna materiale cartografico” (Figura 2.1). Avevo ricevuto i dati provenienti dalle battute aerofotogrammetriche per la compilazione della CTR, la Carta Tecnica Regionale della Sardegna, suddivisi secondo lo schema delle tavolette IGM delle quali riportavano lo stesso numero d’identificazione!
Grazie a questo tipo di file (Figura 2.2) è possibile, attraverso un trattamento informatico dei dati mediante software GIS, creare un DEM (Digital Elevation Model ) ovvero un modello digitale del terreno che rispecchi la morfologia reale della superficie terrestre rilevata. Ogni file rappresenta una porzione di territorio descritto attraverso punti
“X” distribuiti sul terreno secondo una griglia regolare. Ad ogni punto è associata la propria coordinata spaziale ( X, Y, Z ). Come in un normale diagramma 3D questi punti verranno poi interpolati e sviluppati da diversi algoritmi matematici fino a creare una superficie dell’elevazione del terreno continua.
La distanza a terra tra un punto e l’altro viene chiama “passo” o più impropriamente
“risoluzione”. Minore è il “passo” maggiore è la precisione del modello che si andrà ad
ottenere. Il “passo” della CTR è 40 metri, ciò significa che tutta la superficie della Sardegna
è stata virtualmente ricoperta da milioni di punti distribuiti in maniera lineare e ad una
distanza costante di 40 metri l’uno dall’altro e che di ogni punto si conoscono la latitudine, la
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id x y z
1. 1535860.000 4568820.000 .010 2. 1535860.000 4568860.000 .010 3. 1535860.000 4568900.000 .010 4. 1535860.000 4568940.000 .010 5. 1535860.000 4568980.000 .010 6. 1535860.000 4569020.000 .010 7. 1535860.000 4569060.000 .010 8. 1535860.000 4566660.000 33.961 9. 1535860.000 4566700.000 43.998 10. 1535860.000 4566740.000 41.139 11. 1535860.000 4566780.000 35.860 12. 1535860.000 4566820.000 25.249 13. 1535860.000 4566860.000 25.407 14. 1535860.000 4566900.000 33.331 15. 1535860.000 4566940.000 37.423 16. 1535860.000 4569100.000 25.240 17. 1536060.000 4571980.000 .010 18. 1536060.000 4572020.000 .010 19. 1536060.000 4572060.000 .010 20. 1536060.000 4572100.000 .010 21. 1536100.000 4566460.000 1.574 22. 1536100.000 4566500.000 .010 23. 1536100.000 4566540.000 .010 24. 1536100.000 4566580.000 .010 25. 1536100.000 4566620.000 .010 26. 1536100.000 4566660.000 .010 27. 1536100.000 4566700.000 .010 28. 1536100.000 4566740.000 .010 29. 1536100.000 4566780.000 5.402 30. 1536100.000 4566820.000 15.509 31. 1536100.000 4566860.000 18.778 32. 1536100.000 4566900.000 13.030 33. 1536100.000 4566940.000 5.112 34. 1536100.000 4566980.000 .010 35. 1536100.000 4567020.000 1.698 36. 1536100.000 4567060.000 .010 37. 1536100.000 4567100.000 .010 38. 1536100.000 4567140.000 .010 39. 1536100.000 4567180.000 .010 40. 1536100.000 4567220.000 .010 41. 1536100.000 4567260.000 .010
Figura 2.2. Un esempio dei files forniti dalla Regione Sardegna per la costruzione del modello digitale del terreno. La prima colonna contiene l’ID numerico univoco di ogni punto. La seconda contiene le coordinate piane della longitudine espresse in metri e non in gradi come usano le coordinate geografiche; la terza colonna contiene le coordinate piane della latitudine; la quarta colonna contiene la quota del punto s.l.m.. Tramite questo tipo di dati è possibile posizionare un qualsiasi punto nello spazio sia esso un foglio di carta o una superficie estesa come la Sardegna intera.
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Figura 3.2. Un esempio dei files forniti dalla Regione Sardegna per la costruzione del modello digitale del terreno. La prima colonna contiene l’ID numerico univoco di ogni punto. La seconda contiene le
coordinate piane della longitudine espresse in metri e non in gradi come usano le coordinate geografiche;
la terza colonna contiene le coordinate piane della latitudine; la quarta colonna contiene la quota del punto s.l.m.. Tramite questo tipo di dati è possibile posizionare un qualsiasi punto nello spazio sia esso un foglio di carta o una superficie estesa come la Sardegna intera.
longitudine e la quota sul livello del mare! Tutto questo contenuto in un cd da poche centinaia di megabyte.
Almeno tre società specializzate hanno eseguito per conto della Regione Sardegna il lavoro di rilievo aereo.
La diversa provenienza dei dati e l’uso di vari softwares per il trattamento dei dati da parte di queste società ha creato dei problemi di uniformità, di formattazione e di compatibilità nei singoli files. Si richiedeva perciò una omogeneizzazione che portasse tutti i dati ad uno stesso standard.
Tra tutti i files sono stati selezionati solo quelli relativi alla zona oggetto di ricerca,
circa 50 su 455, e si è proceduto alla correzione di questi.
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Figura 2. 4. Carta IGM 1:25.000. Il reticolato kilometrico è costituito da quadrati di 1km per lato. Per avere un idea della definizione e del grado di aderenza alla realtà del modello digitale del terreno da realizzare, in un segmento di 1km di lunghezza sono stati rilevati 25 punti per un totale di ben 625 punti per km2.
Ecco alcuni dei problemi affrontati:
1) Importando i files txt su ArcView accadeva che mentre le coordinate perdevano gli zeri dopo il punto, in quanto questo veniva considerato separatore decimale, la quota invece manteneva gli zeri considerando il punto come normale separatore delle migliaia. Risultavano così quote s.l.m. di centinaia di migliaia di metri.
Dopo diversi tentativi la soluzione è stata quella di salvare i files con un’altra estensione, cioè trasformarli da txt a dbf 4, in questo modo tutti e tre i campi mantenevano le stesse impostazioni internazionali.
2) Osservando la Figura 2.2, nella colonna di destra contenente i dati delle quote sul
livello del mare, si nota un valore anomalo “.010”. Questo valore, si è scoperto,
essere riferito alla quota della superficie del mare che dovrebbe corrispondere
invece a “0”. Nella fase di importazione dei files su ARCVIEW questo dato però
non veniva riconosciuto come “0”. Si è dovuto processare, quindi, tutti i files con
una Macro su Excel che sostituisse i valori “.010” e quelli inferiori a zero con “0”,
in maniera da ottenere il valore “0.010” come quota relativa alla superficie del
mare compatibile con il software ArcView.
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3) Anche la tabulazione in tre colonne diverse, originariamente non esistente, e l’eliminazione di diverse migliaia di righe vuote in fondo a ciascun file è stata impostata su Excel.
4) L’elaborazione dei dati è stata relativamente semplice sia per la lunghezza dei singoli files, 15.000/20.000 righe ognuno, che per il numero di files da processare, circa 50 quelli relativi alla zona del Marghine-Planargia.
I files corretti e pronti per essere importati sulla piattaforma Gis sono stati salvati in una
nuova cartella chiamata B_DBF.
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2.2. Elaborazione del dato sorgente e creazione del dato vettoriale.
L’importazione su ARCVIEW dei files di testo contenenti le informazioni geografiche precedentetemente descritte, prevede la trasformazione di questi in SHAPE FILES (fig. 2.2.1 e 2.2.2) attraverso le funzioni add event theme e convert to shape file.
. Lo Shape file di ArcView permette la visualizzazione grafica di ciascun punto secondo le sue coordinate geografiche. Come in un asse cartesiano i punti verranno sistemati su un piano il cui sistema di riferimento è quello proveniente dai dati geografici dei singoli punti.
Figura 2. 2. 1. Così si presenta uno shape file che contiene circa 15.000 punti. L’estrema densità dei punti viene visualizzata come uno strato apparentemente unico e uniforme.
L’importazione avviene file per file, uno per volta, con destinazione dei nuovi SHAPE
FILES in una nuova cartella chiamata B_SHAPE. Quest’operazione viene ripetuta per tutti i
50 files relativi alla zona oggetto di ricerca.
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Figura 5. 2. 2. Una visione ravvicinata mostra come quello strato apparentemente uniforme sia invece composto da migliaia di punti disposti a distanza costante l’uno dall’altro, appunto a un “passo”o a una
“definizione” di 40 metri. In alto a destra vengono visualizzate le coordinate geografiche del sistema di riferimento.
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2.3. Elaborazione del dato vettoriale: i file TIN.
Il TIN ( triangulated irregular network) (Figura , 2.3.2 e 2.3.3) è un tipo di file che sviluppa le informazioni geografiche contenute nello shape file attraverso l’elaborazione della
Figura 2. 3. 1. Visualizzazione 2D del TIN del file 497110.txt. Particolare Nord-Ovest.
Figura 6. 3. 2. 3D. Visualizzazione 3D dello stesso TIN ma con le maglie a triangolo isoscele i cui lati misurano sempre 40 metri.
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terza dimensione tra un punto ed una altro creando così una rete di triangoli di congiunzione che costituiscono una prima interpretazione della superficie terrestre rilevata.
Nella figura 2.3.2 è visibile la maglia che contiene 50119 triangoli ai cui vertici si trovano 25319 nodi corrispondenti ai punti dell’elevazione battuti sul terreno.
Figura 2.3.3. Visualizzazione finale del TIN. Da notare in alto la depressione circolare nel terreno ampia circa 1. 54 Km.
Dopo questa operazione i nuovi 50 files TIN sono stati salvati in una cartella chiamata
B_TIN.
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2.4. I file GRID e la loro mosaicatura.
Anche il GRID (figg. 2.4.1 e 2.4.2) è un tipo di file che esprime l’andamento di una superficie ma è organizzato in maniera diversa rispetto al TIN.
Figura 2. 4. 1. Così appare un Grid visto in 2D.
Figura 7. 4. 2. Così invece appare visto in 3D, vertical exaggeration factor 2.
E’ costituito infatti da una griglia, o più propriamente da una matrice, contenente i valori
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struttura a maglie triangolari del TIN. La matrice è stata impostata ad una risoluzione di 10 metri.
La trasformazione dei files a maglie triangolari in files GRID avviene tramite l’interpolazione dei valori altimetrici contenuti nei TIN.
Figura 2. 4. 3. GRID del comune di Bosa (NU), particolare della foce del fiume Temo. Osservare la posizione del cursore: il colore celeste è attribuibile alla superficie marina. Il valore altimetrico nella finestra in alto a sinistra (0.71875) indica invece che si tratta di un lembo terra la cui quota s.l.m. è appunto 0.71875 m . Inoltre se osserviamo l’Hillshade di questa area e la figura 2.4.4 ci si accorge che si tratta di una vera e propria penisola. La non visualizzazione di questo lembo di terra sul GRID è dovuta quindi a ragioni grafiche e non di errore nei dati o nel trattamento degli stessi.
Dopo questa operazione i nuovi 50 files GRID sono stati salvati in una nuova cartella chiamata B_GRID.
La creazione di una palette, ovvero di una legenda dei colori specifica per il DEM, che
è stata chiamata LEG_DEM_M_P.avl e che si trova nell’apposita cartella LEGENDE, è stata
una necessità immediata durante le operazioni di trasformazione dei TIN in GRID. Per motivi
grafici di visualizzazione delle numerose tonalità di colori a volte si riscontrano problemi
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Figura 2. 4. 4. La foce del Fiume Temo, Bosa (NU).
Il problema fortunatamente è solo di tipo grafico in quanto, malgrado la spiaggia, la
penisola e le sponde del fiume nel modello digitale del terreno figurino di colore celeste,
interrogando i valori della “Z” si scopre che “la base” è buona perché i valori altimetrici sono,
seppure per poche decine di centimetri, al di sopra del livello marino come dimostra il file
HILLSHADE dello stesso modello digitale del terreno (vedi allegati).
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IL MOSAICO
Il software ARCVIEW offre due funzioni per unire due o più GRID tra loro: mosaic e merge grid. La prima è più veloce perché consente di visualizzare e confrontare direttamente sulla view i vari files da unire e il risultato ottenuto in maniera da notare e correggere eventuali problemi .
Figura 2. 5. 1. In alto a sinistra, 4 files GRID sono visualizzati contemporaneamente e adiacenti l’ uno all’altro; a destra, dopo l’operazione di mosaic formano un unico file GRID. La zona è quella della Planargia con il corso del fiume Temo.
Per unire 50 files si è proceduto per gruppi di immagini (Figura 2.5.1), facendo dei
mosaici parziali di 8 o 10 GRID per volta e salvandoli con nomi indicativi del loro contenuto
tipo DA1_A8, DA9_A15 ecc…in una cartella provvisoria chiamata MOSAICO_P. Così
facendo è possibile controllare volta per volta come avviene l’operazione di unione e
eventualmente individuare errori solitamente visibili a occhio nudo grazie alla varietà
cromatica di ogni file. E’ anche possibile unire molti file tutti assieme ma in caso di errori
sarebbe arduo identificarne la causa. L’operazione finale consiste nell’unione dei mosaici
parziali in un unico grande GRID che rappresenta una superficie di circa 64 x 33,5 Km e che
è stato chiamato DTM_MP (Figura 8.5.2). Questo file è stato salvato in una cartella chiamata
MOSAICO le cui dimensioni sono appena 81,8 Mega Byte! Una matrice a maglia quadrata
dove ogni cella contiene informazioni spaziali 3D (X, Y, Z).
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Figura 8. 5. 2. Modello digitale del terreno del Marghine-Planargia, risultato finale. (Mosaic di file GRID).
Figura 2. 5. 3. Carta dell’esposizione al sole dei versanti (HILLSHADE). L’illuminazione è 320° azimut e 45° zenit. Le zone più chiare rappresentano la più alta esposizione dei versanti ai venti di nord-ovest.
Tramite elaborazioni di overlay e brithgness si sono realizzate immagini 2D ½ del
mosaico in oggetto ( vedi allegati).
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2.5. I tematismi dalla Regione Sardegna.
Agli inizi di Novembre del 2004, dopo accordi presi telefonicamente, ho inviato formale richiesta scritta, accompagnata da due dvd registrabili, agli uffici regionali per avere l’altra parte dei dati a completamento del materiale cartografico ricevuto in Aprile. Dopo una settimana ho ricevuto un cd contenente i tematismi richiesti accompagnati da una lettera di autorizzazione all’uso di questi dati (Figura ).
Il materiale ricevuto consisteva in SHAPE FILES riguardanti i vari tematismi che caratterizzano la Carta Tecnica Regionale della Sardegna, organizzati in 6 layers informativi come segue:
• n. 1 file relativi ai Centri Abitati;
• n. 2 files relativi a Intersezioni Ferroviarie e Tratte Ferroviarie;
• n. 24 files relativi all’ Idrografia suddivisi per bacino idrografico;
• n. 1 files relativi agli Specchi d’Acqua (laghi e stagni);
• n. 1 file relativi ai Limiti Comunali;
• n. 2 files relativi a Intersezioni Stradali e Tratti Stradali;
Ogni tematismo però riguardava l’intero territorio regionale della Sardegna. Si è proceduto perciò a “tagliare” alcuni di questi mantenendo la parte relativa alla zona oggetto di ricerca.
Questa la metodologia seguita per classe di tematismo:
• Limiti Comunali: aprendo la tabella di LIMITI COMUNALI sono stati selezionati i campi relativi ai comuni appartenenti alla zona oggetto di ricerca. Si è proceduto a creare così un nuovo SHAPE FILE, chiamato LIMITI COMUNALI_MP.shp e archiviato nella cartella TEMATISMI, relativo ai soli comuni del Marghine- Planargia.
• Intersezioni Stradali e Tratti stradali: questi due files sono stati “tagliati” utilizzando
la funzione clip one theme based on another dal menù geoprocessing. Come input
file, cioè quello da tagliare, ovviamente si è usato TRATTI STRADALI. SHP, come
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• Intersezioni ferroviarie e Tratti ferroviari: stesso procedimento usato per la viabilità stradale, cioè usando il file dei limiti comunali del Marghine-Planargia come modello
“da taglio”.
I files ottenuti sono stati archiviati nella cartella TEMATISMI con il nome TRATTI FERROVIARI_MP.SHPeINTERSEZIONI FERROVIARIE_MP.SHP.
• Centri Abitati: stesso procedimento usato per la viabilità stradale. Il nuovo file è stato salvato nella cartella relativa ai Tematismi con il nome CENTRI ABITATI_MP.SHP.
• Idrografia: organizzati in 24 bacini idrografici questi tematismi necessitavano una selezione di quelli relativi alla regione oggetto di ricerca. Individuati i files dei bacini n.1,2,3,6 e 24, si è proceduto a “tagliarli” nel solito modo, utilizzando sempre i limiti comunali come modello “da taglio”.
I files ottenuti sono stati salvati nella cartella BACINI IDROGRAFICI all’interno della cartella TEMATISMI con i nomi FIUMI01_MP.SHP, FIUMI02_MP.SHP, FIUMI03_MP.SHP, FIUMI06_MP.SHP, FIUMI24_MP.SHP.
Con la funzione merge si è proceduto a creare un file shape unico per i fiumi unendo i 5 files precedentemente tagliati. Il risultato è stato FIUMI_MP.SHP archiviato nella cartella TEMATISMI.
• Specchi d’acqua: stesso procedimento usato per la viabilità stradale. Il nuovo file è stato archiviato nella cartella relativa ai Tematismi con il nome SPECCHI D’ACQUA_MP.SHP.
Ognuno dei 6 tematismi è stato caratterizzato da un colore o unostile grafico adatto ad
esprimere il tema che rappresenta, il celeste per i fiumi e per gli specchi d’acqua (che sono
veramente pochi), il rosso per le strade, il nero per i centri abitati e per i limiti comunali, e il
violetto per le ferrovie (Figura 2.6.3).
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Figura 2. 6. 2. Visualizzazione del contenuto del tematismo Fiumi del Marghine-Planargia. L’ultima colonna contiene la lunghezza del corso d’acqua espressa in metri.
Figura 9. 6. 3. Così appare il modello digitale del terreno con i tematismi e le labels dei limiti comunali.
