Ing. M. PETRI [email protected] GIS Geographic Information System Sommario • Storia e significato di GIS • Tipi di dati - Raster - Vettoriale - TIN • Tipi di formato di file (sia per raster che per vettoriale) • Topologia Cos’è il GIS GIS - SIT Il sottoinsieme di una organizzazione finalizzato alla gestione dell’informazione ne costituisce il Sistema Informativo S.I., comprendente le risorse umane, i dati e le procedure (è presente in Comuni, Province, Regioni, imprese private, ecc..). Il Sistema Informatico è l’insieme dell’hardware e software utilizzati per il trattamento automatico delle informazioni allo scopo di rendere più efficiente il S.I.. Sistemi Informatici per la gestione di Basi di Dati: • File System (sistemi di archiviazione rudimentali); • Data Base Management Systems (DBMS); • DataWarehouse (per l’analisi dei dati). Una Base di Dati è composta da • i metadati con lo schema della struttura dei dati; • i dati (istanza del DB). Risorse umane Dati S.Informativo Procedure Strumenti Informatici Cos’è il GIS Diverse definizioni Utente Definizione Un contenitore di mappe in forma digitale Cittadino Uno strumento informatico per risolvere problemi geografici Pianificatori, decision makers Un sistema spaziale di supporto alle decisioni Scienziati e ricercatori Uno strumento per scoprire informazioni altrimenti non leggibili in dati spaziali Investigatori, scienziati > 1 milione di utenti abituali > 5 milioni di utenti casuali WWW 1963 1967 1969 Canada US Bureau ESRI of Census 1985 GPS 1991 1994 1999 Big OpenGIS Gis_Day Book 1 Consortium 2002 Cos’è il GIS “Almost everything that happens, happens somewhere. Knowing where something happens is critically important” P.Longley (2001) Il GIS aggiunge informazione all’analisi statistica (P.Mogorovich). Comune Emissioni SO2 (ton/giorno) Ricoveri per malattie resp. Perinello 606 5.1 % Monteventoso 14 1.1 % Scalterone 714 0.8 % Costamara 24 7.3 % San Gaudenzio 2047 7.3 % Monteventoso Scalterone Perinello San Gaudenzio Coefficiente di correlazione fra “Emissioni” e “Ricoveri” è di 0.38, perciò sembra non esserci un legame fra i due fenomeni. Costamara Cos’è il GIS Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD) Cartografia disegnata Cartografia Numerica GIS Limitato dalla scala (5-10) Illimitato Illimitato N° di attributi Minimo (1-3) Illimitato Illimitato N° di strati informativi Topologia No A livello grafico Si Semantica Segni Parti di entità Entità Elaborazioni geometriche No Si Si Elaborazioni “semantiche” No No Si Restituzione flessibile No Si, a livello grafico Si, a livello di entità Cos’è il GIS Semantica Elaborazioni “Semantiche” Alcune operazioni Cos’è il GIS Cartografia CTR (Map-Oriented) Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD) Per individuare le strade devo selezionare tutti i codici che ne delimitano il contorno. Cos’è il GIS Cartografia GeoDB (Object-Oriented) Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD) Adesso posso individuare l’oggetto strada, differenziandone gli attributi (sede stradale, piazza, parcheggio, ecc..) e posso fare delle query complesse. Es. posso selezionare gli edifici che sono più lontani di 500 mt da un parcheggio. I tipi di dati (Vettoriale) (Raster, TIN) I tipi di dati - Vettoriale Un dato “Vettoriale” è sempre costituito da due componenti collegate tra loro in maniera dinamica: componente geografica - indica la forma geometrica di ciascun elemento componente tabellare - contiene tutti gli attributi (in forma alfanumerica) che descrivono le caratteristiche di ciascun elemento geometrico I tipi di dati - Vettoriale Ad un dato “Vettoriale” è possibile collegare dinamicamente altri tipi di informazioni, dette “IPERMEDIALI”, quali: – immagini (*.tiff, *.jpg, *.bmp,….) – filmati (*.avi, *.mpeg) – files audio – intere applicazioni (file *.exe od altro) – ….. attraverso dei cosiddetti Hyperlink (si vedranno in ArcMap) I tipi di dati - Vettoriale • Dato puntuale Punti sono coppie di coordinate One-to-one relation between features in the map and records in the table. I tipi di dati - Vettoriale • Dato lineare Linee sono insiemi di punti che definiscono il proprio shape Nodes Vertices One-to-one relation between features in the map and records in the table. I tipi di dati - Vettoriale • Dato poligonale Poligoni sono un insieme di linee di contorno (boundaries) che definiscono una shape chiusa One-to-one relation between features in the map and records in the table. I tipi di dati - Vettoriale • ArcGIS usa tre diverse implementazioni di dati vettoriali: – Coverages – Shapefiles – Geodatabases • Questi tre diversi tipi di memorizzazione dei dati hanno una diversa metodologia di registrazione dei dati. • Coverages e shapefiles sono modelli file-based, mentre il modello geodatabase è un vero e proprio database management system (DBMS) • Shapefile può contenere solo un tipo primitiva geometrica (linee, punti,ecc..), a differenza della coverage e del geoDB. I tipi di dati - Vettoriale FEATURES o Coverages sono contenute parzialmente nella propria cartella ed in parte nella cartella comune INFO (da non cancellare !). o Shapefiles è composto di almento tre files (con estensione .shp, .shx, .dbf) fino a sette files (con estensione .sbx, .sbn, .ain and .aih). o Geodatabase o E’un formato per la memorizzazione di dati relazionati (dati geometrici, tabulari, ed immagini) in un database management system (DBMS). o Il geodatabase segue le fondamentali regole dei modelli relazionali, nei quali ciascun oggetto ed i suoi attributi sono registrati in una riga della tabella. o Feature Class: Una collezione di features simili (objects), come per esempio edifici, fiumi, all’interno di una tabella DBMS. o Feature Dataset: Una collezione di simili feature classes che condividono lo stesso dominio spaziale (spatial reference) I tipi di dati - Vettoriale Coverages Shapefiles Texas Texas Counties Counties.shp Counties.shx Counties.dbf Evap Evap.shp Evap.shx Info .aat .pat .nat …. Evap.dbf Il Geodatabase Feature dataset Feature class s.a. Relazioni Feature class Domini Tables ArcCatalog Case Tools (UML) Il Geodatabase Workspace Geodatabase Feature Dataset Feature Class Geometric Network Relationship Object Class I tipi di dati - Raster • Un dato “Raster” non è collegato a nessun tipo di informazione tabellare (salvo eccezioni) • Un raster è adatto per descrivere fenomeni continui nello spazio (per esempio: distribuzione di inquinanti, quota, ecc..) • Un dato raster può servire come riferimento per l’acquisizione di dati vettoriali • Per lavorare con dati di tipo raster, ad alto livello, servono le estensioni Spatial Analyst e 3D Analyst I tipi di immagini raster • Immagini fisiche: ogni pixel indica una misura effettuata in una zona di territorio relativa ad una grandezza definita generalmente in modo continuo sul territorio stesso Immagine fisica La misura può riferirsi a: • valore medio che la grandezza assume all’interno del pixel • valore estremo • valore che la grandezza assume nel centro del pixel I tipi di immagini raster • Immagini classificate: ogni pixel assume il valore di un simbolo relativo ad una zona di territorio. Una immagine classificata deriva da una immagine fisica o da una conversione Raster-Vector Immagine classificata I tipi di immagini raster • Immagini cartografiche: scansione di una carta (es. CTR) tramite strumento rasterizzatore Immagine cartografica I tipi di immagini raster • Immagini fotografiche: fotografie di oggetti (non possono essere ancorate al territorio con un sistema di coordinate ma possono essere usate come attributi) Immagine fotografica I tipi di dati - Raster • Utilizza come primitiva grafica il PIXEL (Picture Element) • Immagini in formato “*.tif”, “*.bmp”, “jpg”, MrSid, Ecw, …. • Immagini ERDAS-Imagine.img • Arc/Info GRIDs I tipi di dati - Raster La struttura piramidale del raster • Senza la struttura piramidale, l’intero raster deve essere letto ad ogni ridisegno del display (dovuto a zoom od altro). • Le piramidi registrano dataset files di ridotte dimensioni, di estensione .rrd (reduced resolution dataset) per incrementare la velocità di ridisegno del raster ed una migliore visibilità anche a piccole scale. • Quando si aggiunge un raster ad ArcMap, si può scegliere di costruire la struttura piramidale • Quello che avviene è un ricampionamento del raster ad intervalli di scala I tipi di dati - Raster Raster Resampling • Nearest Neighbor – Closest cell – Continuous and Discrete data • Bilinear interpolation – Average of nearest 4 cells – Continuous data only • Cubic Convolution – Average of nearest 16 cells – Continuous data only Il formato raster GRID Grid datasets: – Struttura di tipo cellulare composta da celle quadrate di ugual dimensioni memorizzate in righe e colonne. – La definizione di un GRID richiede: (1) le coordinate dell’angolo in alto a sinistra, (2) la dimensione della cella, (3) il numero di righe, (4) il numero di colonne, e (5) il valore di ciascuna cella. – Celle che non registrano alcun valore sono chiamate NODATA cells. (x, y) Number of rows • Cell size = 50 m Number of columns Cell size =Cell 10size m Il formato raster GRID • Grid datasets Il formato TIN • Triangular Irregular Network (TIN) Datasets: – Dataset costruiti connettendo punti e con linee e costruendo dei triangoli. – I lati dei triangoli sono costruiti connettendo i punti adiacenti, così da massimizzare il minimo angolo di ciascun triangolo (tringolazione di Delaunay) – Il formato TIN è efficiente per memorizzare dati, in quanto la risoluzione varia con i parametri dei dati spaziali. Il formato TIN La triangolazione di Delaunay soddisfa il requisito che ogni cerchio disegnato passante per tre punti non ne contiene nessun altro. La triangolazione di Delaunay ha molti vantaggi rispetto alle altre metodologie di triangolazione: •I triangoli sono il più possibile equi-angolari, riducendo così i problemi di elaborazione numerica creati da triangoli molto lunghi e stretti. •La triangolazione è indipendente dall’ordine in cui i punti sono processati. Il formato TIN Alcuni esempi Il formato TIN Vantaggi Svantaggi Confronto TIN - GRID TIN GRID •Abilità di descrivere superfici a diversi livelli di risoluzione •Efficienza nella registrazione dei dati •Facile da creare e da manipolare •Facile integrazione con i raster DB •“smoother”, apparenza più naturale delle superfici di terreno create •In molti casi richiede una ispezione visiva e un controllo manuale del network •Incapacità di utilizzare varie dimensioni per il grid così da poter rappresentare aree di diversa complessità Introduzione ad ArcGIS Client ArcInfo ArcEditor ArcView ArcExplorer Browser Html/JAVA ArcIMS Service ArcReader ArcSDE Service Server ArcPad Windows, Unix, Linux File Database Dati Client Dati ArcReader Multi-user Database ArcView Web Service File ArcEditor ArcInfo Introduzione ad ArcGIS ArcGIS è un pacchetto di software, usato per creare, visualizzare ed analizzare dati georiferiti sviluppato dall’ Environmental Systems Research Institute (ESRI), Redlands, California. ArcGIS ArcView ArcEditor ArcInfo ArcMap ArcCatalog ArcToolbox • ArcCatalog è usato per la navigazione fra i dati del DB e per il loro “managing”, per visualizzarli e per crearne i metadati • ArcMap è usato per visualizzare dati spaziali, per fare analisi spaziale e per creare mappe al fine di mostrare il risultato del lavoro fatto • ArcToolbox è una interfaccia per accedere ai tools di conversione dei dati e ad alcune funzioni di analisi. Introduzione ad ArcGIS Le estensioni di ArcGIS ArcCatalog-Editing metadati Accuratezza e precisione • Precisione: una misura della ripetibilità • Accuratezza: una misura della affidabilità, è la differenza tra la realtà e la nostra misura 1 3 4 2 Colpire un bersaglio ArcCatalog-Editing metadati Import Metadata Stili disponibili: Edit Metadata Export Metadata Create/update Metadata Metadata Properties • FDGC (Federal Geographic Data Committee) • FDGC Classic • FDGC ESRI Da Metadata Properties si può attivare/disattivare • FDGC Geography Network l’update automatico dei metadati • FDGC FAQ • ISO Geography Network • XML ArcCatalog-Editing metadati I Metadati devono includere informazioni su • • • • • • • • • • • • • Data del loro “rilievo sul terreno” (es. Volo del 1992) Data della generazione Coordinate del contorno Passi del la fase di processing – Software usati – RMSE, ecc. Da dove viene l’origine Chi ha processato i dati Proiezione Sistema di coordinate Datum Unità di misura Scale spaziale Definizione degli attributi Chi contattare per ulteriori informazioni Topologia Comune B Comune A Topologia • Modelli di Relazioni Spaziali tra features – Connettività, Adiacenza, Prossimità – Tra uno o più feature classes • Rende migliori i modelli di rappresentazione della Realtà Land parcels Soil Adiacenza Coastline Bus route Pipes Streams Country boundary Roads Prossimità Connettività Topologia Esistono due tipi differenti di topologia Topologia ARCO-POLIGONO Topologia ARCO-NODO Topologia COVERAGE Poligonale Label-Points Topologia COVERAGE Lineare (archi) Topologia COVERAGE Topologia arco-poligono Topologia COVERAGE Topologia arco-nodo Topologia COVERAGE - Costruzione topologia • Esempio Uso del Suolo – Creazione topologia classica con ArcToolbox • Build: polygon, line, node • Clean Topologia COVERAGE - Applicazioni topologia – Elenco di tutti i poligoni adiacenti (I, II, … ordine) ad ogni poligono di una coverage (es. Uso del suolo) – Caratterizzazione delle relazioni intercorrenti tra corpi idrici sotterranei (acquiferi) diversi ed adiacenti – ….. Topologia COVERAGE - Applicazioni topologia • Esempio Uso del Suolo – Elenco dei poligoni adiacenti a ciascun elemento della Coverage 1 B A 3 5 2 C 4 D Arc# L_poly R_poly L_use 1 A B …. 2 C A …. 3 C B ….. 4 C D ….. 5 D B ….. I poligoni adiacenti ad A sono quelli nei quali compare in L_poly o R_poly il valore A