Bergamo, 21 gennaio 2002
IPOTESI DI STRUTTURE DATI
PER LA GENERAZIONE DI
CARTOGRAFIA DIGITALE V.F.R.
(VOLO A VISTA NON TATTICO)
Giovanni Turriceni – Luca Panzetti - Giuseppe Lenzi
INDICE
Introduzione
Tematismi aeronautici
Piste
Radioassitenze
Spazi aerei
Tematismi naturali
Orografia
Tematismi antropici
Città
Il Sistema Cartografico di Navigazione
APPENDICE A: esempio di struttura dati originale D.E.M.
APPENDICE B: pagine di esempio di AIP relative a:
• descrizione geografica CTR (RAC 3-3-3)
• descrizione geografica FIR (RAC 3-1-1)
• descrizione pista (AGA 2-7.5)
Introduzione
Viene di seguito descritta un’ipotesi di organizzazione informatica di elementi cartografici differenti
necessari alla generazione di mappe digitali specifiche per la navigazione aerea a vista.
Quanto riportato si concretizza in un programma dimostrativo di visualizzazione delle informazioni
descritte ed interfacciabile con ricevitore GPS via porta seriale.
Sono stati individuati i seguenti tematismi:
• tematismi naturali
n orografia
• tematismi antropici generici
n città
• tematismi aeronautici
n spazi aerei (controllati e non controllati)
n radioassistenze
n piste
I tematismi descritti rappresentano solo un limitato esempio di organizzazione preliminare di
elementi cartografici.
Le esigenze del volo a vista comporteranno l’estensione e l’arricchimento degli elementi stessi.
Limitatamente ai tematismi cartografici riportati, sono state individuate due strutture digitali per
l’organizzazione dei dati:
• strutture vettoriali :
le informazioni sono descritte come sequenze di
punti, linee, archi di cerchio, ...
• strutture D.E.M. (Digital Elevation Model) :
le informazioni sono riferite ad una griglia
regolare di punti
Ad esclusione dell’orografia, caratterizzata da una struttura di tipo DEM, tutte le altre informazioni
sono organizzate in modo vettoriale.
Tematismi aeronautici
La fonte dei tematismi aeronautici è rappresentata dalla pubblicazione A.I.P. dell’E.N.A.V..
Tutte le informazioni geografiche scelte sono state codificate mantenendo l’organizzazione originale
riportata in AIP (vedi APPENDICE B).
Tutti gli elementi sono riferiti al sistema di coordinate geografiche ED50 (Ellissoide: European
Datum ’50). In futuro potrà risultare più efficiente organizzare tutte le informazioni (non solo quelle
aeronautiche) rispetto ad un sistema già proiettato rettangolare (Lambert).
Piste
AIP descrive le piste in due differenti modi:
orientamento
larghezza
lunghezza
centro pista
orientamento
Esempio: pista di Albenga
Pista
Dimensioni (m)
Orientam.
N°
N°
vero
b
a
a
09
093
09
27
273
27
Altitude
45 (m) 149 (ft)
testata pista
larghezza
testata pista
Esempio: pista di Orio al serio
RWY QFU THR
11
105
45° 40’ 13” N
09° 41’ 26” E
29
285
45° 39’ 52” N
09° 43’ 22” E
AD ELEV
779
DIMENSIONI
2850 x 45
Per entrambe le descrizioni, numero e tipo dei campi numerici per la codifica è il medesimo,
assumendo però significato diverso nei due casi. Ogni pista viene descritta tramite due record di tipo
ASCII (testo) nel file archivio delle piste; il primo record contiene solo il nome della pista, il secondo
una sequenza di campi numerici il cui significato dipende dal contenuto del primo campo alfabetico:
“C” od “E”:
Pista tipo “C”
gradi latitudine centro pista [°]
minuti latitudine centro pista [’]
secondi latitudine centro pista [”]
gradi longitudine centro pista [°]
minuti longitudine centro pista [’]
secondi longitudine centro pista [”]
orientamento testata 1 [°]
orientamento testata 2 [°]
0.0
0
0
0.0
lunghezza pista [m]
larghezza pista [m]
elevazione [ft]
Pista tipo “E”
gradi latitudine testata 1 [°]
minuti latitudine testata 1 [’]
secondi latitudine testata 1 [”]
gradi longitudine testata 1 [°]
minuti longitudine testata 1 [’]
secondi longitudine testata 1 [”]
gradi latitudine testata 2 [°]
minuti latitudine testata 2 [’]
secondi latitudine testata 2 [”]
gradi longitudine testata 2 [°]
minuti longitudine testata 2 [’]
secondi longitudine testata 2 [”]
lunghezza pista [m]
larghezza pista [m]
elevazione [ft]
Tipo campo numerico
intero
intero
reale
intero
intero
reale
intero
intero
reale
intero
intero
reale
intero
intero
intero
Esempio di codifica per i due tipi di descrizione “pista”:
ALBENGA
C 44 02 41.00 08 07 35.00 093 273 0.0 0 0 0.0 1560 40 149
ORIO 1
E 45 40 13.00 09 41 26.00 45 39 52.00 09 43 22.00 2800 45 779
Radioassistenze
Da AIP sono state recuperate tutte le coordinate geografiche delle radioassistenze disponibili; la
codifica è semplice; ogni radioassistenza è identificata da una stringa tipo/sigla, dove per tipo si può
avere: DME, LOC, NDB, TAC, VOR e dalle corrispondenti coordinate geografiche. Esempio:
DME/RAI
38 10 57.00 13 07 00.00 0
LOC/AH
40 41 54.00 08 19 53.00 0
NDB/VOG
44 57 47.00 08 58 21.00 0
TAC/AVI
46 01 42.00 12 35 12.00 0
VOR/ALG
40 37 39.00 08 14 40.00 0
Spazi aerei (controllati e non controllati)
Ad esclusione delle aerovie, che non sono state codificate, tutti gli spazi aerei vengono descritti in
AIP tramite sequenze di punti geografici connessi da linee od archi di cerchio.
Nel caso di spazi aerei limitati dai confini di stato, il numero di punti potrà risultare cospicuo.
Lo spazio aereo più semplice è il cerchio.
La codifica di uno spazio aereo si sviluppa nel seguente modo:
1. una stringa alfanumerica contenente nell’ordine:
n
n
n
n
tipo spazio aereo (APP, FIR, UIR, TMA, ACC, TWR, ...)
nome spazio aereo
ordine (A, B, ..., 0 se unico)
limiti spaziali verticali così come riportato in AIP
2. il numero di punti costituenti lo spazio aereo
3. la sequenza dei punti secondo la seguente struttura:
n
n
n
n
n
n
tipo punto: P = punto semplice, C = arco di cerchio, V = esternamente ad un punto
gradi latitudine punto
minuti latitudine punto
secondi latitudine punto
gradi longitudine punto
minuti longitudine punto
n secondi longitudine punto
n raggio (eventuale) di cui il punto è centro o vertice
La codifica dovrebbe essere completata con un codice relativo alla convessità o concavità dell’area in
quel punto (FIR di Brindisi risulta in un punto curvo concava).
Esempio: Area di Controllo di Bergamo Orio al Serio:
Descrizione AIP:
Codifica:
APP ORIO 0 1500FTAGL/GND
Linea congiungente i punti:
8
45°43’15”N 09°39’10”E
P 45 43 15 09 39 10 0.0
45°44’29”N 09°49’00”E
indi arco di cerchio, in senso orario, di 6 NM di P 45 44 29 09 49 00 0.0
C 45 38 35 09 50 31 6
raggio con centro su LO ORI fino al punto:
P 45 32 35 09 50 44 0.0
45°32’35”N 09°50’44”E
P 45 32 25 09 42 01 0.0
45°32’25”N 09°42’01”E
indi arco di cerchio, in senso orario, di 8 NM di C 45 40 25 09 41 42 8
P 45 37 39 09 30 57 0.0
raggio con centro sul punto:
P 45 43 15 09 39 10 0.0
45°40’25”N 09°41’42”E
fino al punto:
45°37’39”N 09°30’58”E
45°43’15”N 09°39’10”E
8
1
2
6
7
3
CTR aeroporto di Bergamo Orio al Serio
5
4
Tematismi naturali
Attualmente i particolari geografici naturali sono limitati alla sola orografia; è possibile ipotizzare
però che altri elementi geografici naturali risultino descrivibili tramite strutture vettoriali (fiumi, ...).
Orografia
La fonte delle informazioni di elevazione del suolo per il territorio nazionale consiste di un file di tipo
ASCII contenente le quote orografiche distribuite su una griglia geografica riferita all’ellissoide Italia
’40.
Le caratteristiche dei dati orografici è:
latitudine massima [°]
latitudine minima [°]
longitudine minima [°]
longitudine massima [°]
passo griglia in longitudine [°]
= 47.5
= 36.5
= -6.0
= 6.5
= 0.0055556
passo griglia in longitudine [°]
= 0.00417
Da questi dati è stato generato un file binario tipo D.E.M. contenente le quote orografiche d’Italia
riferite ad una griglia chilometrica ottenuta proiettando secondo Lambert le coordinate geografiche
originali. Prima della conversione rispetto al sistema rettangolare, le coordinate sono state riferite
all’ellissoide ED50 tenendo conto della correzione (fissata costante per tutta l’Italia) di 6” in
latitudine e 2.5” in longitudine.
Le nuove caratteristiche dei dati orografici è:
coordinata y massima [km]
coordinata y minima [km]
coordinata x minima [km]
coordinata x massima [km]
passo griglia in x [km]
passo griglia in y [km]
numero di righe
numero di colonne
= 1266.0
= 76.0
= -586.0
= 532.0
= 0.25
= 0.25
= 4764
= 4476
Il file binario è organizzato in modo tale che, sviluppandosi per righe, il primo punto risulta essere
quello avente coordinata y massima e coordinata x minima, mentre l’ultimo coordinata y minima e
coordinata x massima; se i = indice delle righe e j = indice delle colonne:
y_max
x_min
i=1
j=1
i=2
j=1
i=3
j=1
i=1
j=2
i=1
j= 3
... ...
x_max
i=1
j = 4476
y_max
...
...
y_min
...
i = 4764
j= 1
x_min
i = 4764 y_min
j = 4476
x_max
In realtà il file binario non contiene le quote ma un indice compreso tra 0 e 255 e corrispondente ad
un ben preciso colore (che il programma dimostrativo) di visualizzazione riconosce. Gli indici si
riferiscono agli intervalli di quote deducibili dalla legenda delle carte OACI-CAI 1:500 000:
indice colore
225
224
223
222
221
220
219
218
217
216
215
214
rosso - R
255
127
159
191
213
255
255
255
255
255
255
0
verde - G
255
63
97
127
127
157
191
221
255
255
127
255
blue - B
255
0
0
0
0
0
0
32
127
191
255
255
intervallo quote [m]
> 3297
> 3000 ; ≤ 3297
> 2500 ; ≤ 3000
> 2000 ; ≤ 2500
> 1500 ; ≤ 2000
> 1000 ; ≤ 1500
> 700 ; ≤ 1000
> 400 ; ≤ 700
> 200 ; ≤ 400
> 100 ; ≤ 200
> 0 ; ≤ 100
≤0
I dati sono memorizzati come interi (2 bytes) ma, trattandosi di valori compresi tra 0 e 255,
potrebbero essere memorizzati con un solo byte, con una conseguente riduzione dell’occupazione di
memoria.
I parametri per la trasformazione delle coordinate geografiche secondo Lambert sono:
ϕ0
= 36°
λ0
= 13°
ϕ1
= 38°
ϕ2
= 46°
Tematismi antropici
Ad esclusione di alcune citta’ non sono state codificati altri tipi di informazioni geografiche legate
all’attività antropica che potessero essere di utilità alla navigazione aerea a vista: strade, ferrovie,
piloni, ponti, ...
Città
La fonte delle informazioni relative alla posizione dei centri urbani consiste nell’archivio ISTAT dei
comuni d’Italia. A titolo di esempio sono state estratte i più importanti capoluoghi di provincia. Il
programma dimostrativo si limita a disegnare un quadrato senza però tener conto della reale
estensione dell’agglomerato urbano.
La codifica di una città si sviluppa nel seguente modo:
1. una stringa alfanumerica contenente il nome della città
2. la sequenza dei punti secondo la seguente struttura:
n gradi latitudine città
n
n
n
n
n
n
minuti latitudine città
secondi latitudine città
gradi longitudine città
minuti longitudine città
secondi longitudine città
elevazione della città in piedi
Esempio:
GENOVA
44 25 9.35 8 53 51.00
31
BRESCIA
45 32 38.35 10 12 52.01 163
COMO
45 48 34.22 9 5 3.05
220
.........
Il Sistema Cartografico di Navigazione
Definite le strutture dati delle informazioni geografiche di interesse per il volo a vista, l’ipotetico
sistema di navigazione funzionerà in linea di massima come un generico applicativo GIS, ma in
maniera decisamente più semplificata, dovendo trattare un numero limitato di informazioni.
L’impiego combinato di strutture dati “vector”, per i tematismi aeronautici ed antropici, e strutture di
tipo “DEM” per l’orografia, consente l’implementazione relativamente semplice di interessanti
opzioni di visualizzazione della mappa:
• zoom: scalatura della mappa a richiesta del pilota; per semplicità di impiego converrà adottare
alcuni livelli significativi di zoom (1:500 000, 1:250 000, ...), attivabili in funzione della fase di
navigazione; a seconda del livello di zoom sara inoltre visualizzata la quantità necessaria di
dettagli (ad esempio i nomi dei paesi potrebbero essere mostrati solo ad un livello di zoom
sufficientemente dettagliato)
• rotazione: la mappa (combinazione di dati “vector” e “DEM”) potrebbe essere ruotata nel senso
della navigazione
• 3D: in talune situazioni potrebbe risultare utile la visualizzazione 3D della mappa, dal momento
che la caratteristica dei dati “DEM” lo consentirebbe
• foto: in aggiunta ai dati descritti “vector” e “DEM”, potrebbe essere previsto un archivio di
immagini fotografiche georeferenziate di particolari aree; ad esempio delle zone aeroportuali; in
tal caso il pilota opzionalmente potrebbe visualizzare la propria posizione direttamente sulla foto
dell’area sorvolata
Di seguito si riporta uno schema semplificato delle funzionalità del sistema cartografico di
navigazione:
Tematismi
naturali
Parametri operatore:
zoom / scorrimento
orografia
.......
Tematismi
antropici
città
.......
Generazione e
visualizzazione
mappa
Posizione
( GPS )
velivolo
Tematismi
aeronautici
piste
radioass.
spazi aerei
.......
• acquisizione parametri da operatore: zoom, scorrimento, ...
• ridefinizione limiti della finestra spaziale di visualizzazione delle informazioni geografiche
• disegno delle informazioni geografiche:
n ritaglio dalla struttura DEM della porzione di orografia e sua visualizzazione
n visualizzazione dei restanti tematismi naturali
n visualizzazione dei tematismi antropici generici
n visualizzazione dei tematismi aeronautici
• visualizzazione della posizione del velivolo acquisita da satellite
Prototipi dimostrativi di sistemi di navigazione possono essere realizzati anche con prodotti software
commerciali di tipo GIS: MAPINFO, ARCVIEW, ...
OSSERVAZIONI:
• l’impiego di una cartografia elettronica strutturata come descritto consente una semplice gestione,
anche se differenziata, per quanto riguarda gli aggiornamenti
• l’impiego di una cartografia elettronica strutturata come descritto consentirebbe una efficace
pianificazione interattiva delle rotte direttamente sulle mappe digitali
• l’utilizzo dell’orografia in formato DEM consente di fornire informazioni sulla presenza di
ostacoli orizzontali
• il sistema potrà essere interfacciato non solo ad un GPS, ma eventualmente anche ad una capsula
barometrica e/o ad una bussola elettronica
• l’aspetto dello strumento dovrà essere estremamente semplice: il video e un numero limitato di
pulsanti (un paio di nottolini multifunzione e qualche tasto).
• pur basandosi su una base strumentale di tipo Personal Computer, lo strumento non apparirà
assolutamente come tale
• probabilmente il sistema operativo del sistema dovrà essere ricercato tra quelli dedicati per
applicazioni real-time; un’alternativa all’ambiente WINDOWS potrebbe essere, data la “lenta”
velocità richiesta per l’acquisizione (qualche dato al secondo), un ambiente UNIX (LINUX per il
Personal Computer); tale ambiente ha già trovato applicazioni in campo aeronautico in taluni
sistemi per il supporto ai servizi ATC
• lo sviluppo del sistema richiederà l’impiego di software dedicato alla grafica avanzata
• potrebbe risultare conveniente realizzare una prima versione molto semplice del sistema, limitato
magari alla sola visualizzazione della posizione su base cartografica; ascoltate, vagliate e meditate
le esigenze degli utilizzatori, una versione (preferibilmente solo software) successiva potrebbe
implementare funzioni di gestione della rotta
APPENDICE A: esempio di struttura dati originale D.E.M.
Italy 30-Second DTM
Summary Documentation
---------------------------------------------------------------------Description
Data Set Name: Servizio Geologico Nazionale Italy 30-Second DTM
File Name:
ITALY.BIN
Coverage
Area Coverage:
Italy including Sardinia and Sicily
Coordinate Coverage:
47 20'N to 36 40'N x 6 27'08.4"E to 18 57'08.4"E
Topography/bathymetry/both:
Both (limited bathymetry)
Grid Structure
Cell Dimensions:
Cell Registration:
Latitude: 00'30" Longitude: 00'30"
Center of cell
Total Grid Rows:
Total Grid Columns:
1280
1500
Data Characteristics
Elevation Units:
Meters
Elevation Type:
Average
Projection:
Lat/lon (no projection)
Vertical Accuracy:
Horizontal Accuracy:
Null Land Value Designator:
0
Null Ocean Value Designator:
0
Source
Data Contributor:
V. Catenacci
Servizio Geologico Nazionale
Settore III Geofisica
Roma, Italy
Data Developer:
See documentation
Development History
The source for the Italy 30-second DTM is a 7.5 x 10-second DTM developed by the Italian
Geological Service for use in gravity terrain corrections. Organizations involved with either
developing, analyzing, or financing the development model include AGIP, National Research
Council, National Group of Solid Earth Geophysics (GNGTS), Education Ministry (MPI), and the
University of Leece. The data processing described here is documented in slightly more detail in
Carrozzo, et al. (1985).
Elevations for the 7.5 x 10-second model were derived from several topographic map sources listed
below.
1. Military Geographic Institute (IGM) 1:25,000 scale maps for the landmass of Italy
2. Navy Hydrographic Institute (IIM) 1:100,000 scale maps for the surrounding sea areas
3. 1:25,000 scale French maps for areas immediately beyond the border
4. 1:50,000 scale French maps for areas further beyond the border
5. 1:50,000 scale Swiss maps
6. 1:50,000 scale Austrian maps
7. 1:50,000 scale Yugoslavian maps
Mean height values were manually extracted from the topographic maps at regular grid intervals.
The size of the grid was selected to maximize the amount of reliable detail obtainable from the
source maps while not so small as to make the processing unreasonably burdensome. Grid spacings
of 7.5 x 10-seconds were used for the 1:25,000 maps, 15 x 20-seconds were used for 1:50,000
maps, and 30 x 40-seconds were used for the 1:100,000 maps. 15 x 20-second and 30 x 40-second
data were converted to 7.5 x 10-second grids by interpolation. Grid lines were printed on
transparent acrylic sheets in 20-minute latitude sections and overlaid on the maps for data collection.
For each grid cell, a mean height was manually estimated from the contours and point heights that
appeared within each cell.
The 6,210,000 elevation values were derived from 3,450 IGM maps; 3,456,000 depth values were
derived from 120 IIM maps; and 1,878,000 coastal heights were derived from 130 coastal maps.
Data were analyzed for errors by Servizio Geologico Nazionale using the following procedures.
1. Checked that data were expressed in proper numeric terms and that they were intrinsically valid.
Verified that the data fell within a predetermined range of values for the zone under consideration.
2. Checked the gradient of each cell by testing whether the difference between each cell and its
neighbors does not exceed a predetermined value as chosen by the type of local terrain.
3. Spot checked data by independently collecting data from various cells twice. Verified that the
two values did not differ beyond predetermined values based on the type of local terrain.
4. Generated contour maps from the gridded data in each area and overlaid these on the source maps
for comparison.
5. Generated contour maps from several adjacent areas and overlaid these on 1:100,000 IGM source
maps to confirm proper edge matching between processed areas.
NGDC converted the 7.5 x 10-second data from 20 x 30-minute individual segments into a
continuous grid covering all of Italy.
The 30-second grid was developed by taking the mean of all 7.5 x 10-second cells that fell within
each 30-second area. Areas containing significant errors were removed from the model. These areas
are located in the northern part of the model.
File header, ITALY.HDR, della struttura DEM per l’Italia:
file_title
palette
data_type
data_byte_order
upper_map_y
lower_map_y
left_map_x
right_map_x
number_of_rows
number_of_columns
grid_size(x)
grid_size(y)
grid_unit
grid_origin
grid_cell_registration
map_projection
missing_flag
sea_level_elev_max
sea_level_elev_min
sea_level_elev_unit
= Italy 30-sec DTM (Serv Geologico Nazionale)
= TOPO_LAND
= image
= little_endian
= 47.33333333
= 36.66666667
= 6.45233333
= 18.95233333
= 1280
= 1500
= 0.00833333
= 0.00833333
= degrees
= upperleft_x
= center of cell
= lat/lon
=0
= 4570
= -2155
= Meter
APPENDICE B: pagine di esempio di AIP relative a:
•
descrizione geografica CTR (RAC 3-3-3)
•
descrizione geografica FIR (RAC 3-1-1)
•
descrizione pista (AGA 2-7.5)