Ing. M. PETRI m.petri@ing.unipi.it 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 S.Informativo 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 Definizione Utente WWW 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 1963 Canada 1967 US Bureau of Census 1969 ESRI 1985 GPS 1991 Big Book 1 1994 OpenGIS Consortium 1999 Gis_Day > 1 milione di utenti abituali > 5 milioni di utenti casuali 2002 WWW

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). 7.3 % 2047 San Gaudenzio 24 Costamara 0.8 % 714 Scalterone 1.1 % 14 Monteventoso 5.1 % 606 Perinello Ricoveri per malattie resp. Emissioni SO2 (ton/giorno) Comune Coefficiente di correlazione fra “Emissioni” e “Ricoveri” è di 0.38, perciò sembra non esserci un legame fra i due fenomeni. Monteventoso Scalterone San Gaudenzio Perinello Costamara

Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD) Cos’è il GIS Cartografia disegnata Cartografia Numerica GIS N° di strati informativi Limitato dalla scala (5-10) Illimitato N° di attributi Minimo (1-3) Topologia No A livello grafico Si Semantica Segni Parti di entità Entità Elaborazioni geometriche Elaborazioni “semantiche” Restituzione flessibile Si, a livello grafico Si, a livello di entità

Cos’è il GIS Alcune operazioni Semantica Elaborazioni “Semantiche”

Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD) Cos’è il GIS Cartografia CTR (Map-Oriented) Per individuare le strade devo selezionare tutti i codici che ne delimitano il contorno.

Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD) Cos’è il GIS Cartografia GeoDB (Object-Oriented) 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 Coverages sono contenute parzialmente nella propria cartella ed in parte nella cartella comune INFO (da non cancellare !). Shapefiles è composto di almento tre files (con estensione .shp, .shx, .dbf) fino a sette files (con estensione .sbx, .sbn, .ain and .aih). Geodatabase E’un formato per la memorizzazione di dati relazionati (dati geometrici, tabulari, ed immagini) in un database management system (DBMS). Il geodatabase segue le fondamentali regole dei modelli relazionali, nei quali ciascun oggetto ed i suoi attributi sono registrati in una riga della tabella. Feature Class: Una collezione di features simili (objects), come per esempio edifici, fiumi, all’interno di una tabella DBMS. 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 Evap.dbf .aat .pat .nat …. Info

Il Geodatabase GeoDB Feature dataset Feature class s.a. Tables ArcCatalog Relazioni Feature class Domini 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

Immagine classificata 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

Immagine cartografica 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

La struttura piramidale del raster 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

Raster Resampling I tipi di dati - Raster 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

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. Cell size = 50 m Cell size = 10 m Number of columns Number of rows Cell size (x, y)

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 Confronto TIN - GRID TIN GRID Vantaggi Svantaggi   TIN GRID Vantaggi 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 Svantaggi 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 ArcIMS Service ArcExplorer Browser Html/JAVA ArcInfo ArcEditor ArcView ArcReader File ArcSDE Service Database Server ArcPad Windows, Unix, Linux Dati

Dati Client ArcReader Multi-user Database ArcView Web Service File Dati Client ArcReader ArcInfo ArcEditor ArcView Multi-user Database Web Service

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. 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

Accuratezza e precisione 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 3 1 4 2 Colpire un bersaglio

ArcCatalog-Editing metadati Import Metadata Export Metadata Create/update Metadata Metadata Properties Stili disponibili: FDGC (Federal Geographic Data Committee) FDGC Classic FDGC ESRI FDGC Geography Network FDGC FAQ ISO Geography Network XML Edit Metadata Da Metadata Properties si può attivare/disattivare l’update automatico dei metadati

I Metadati devono includere informazioni su 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

Modelli di Relazioni Spaziali tra features Topologia Modelli di Relazioni Spaziali tra features Connettività, Adiacenza, Prossimità Tra uno o più feature classes Rende migliori i modelli di rappresentazione della Realtà Coastline Country boundary Roads Bus route Prossimità Pipes Streams Connettività Land parcels Soil Adiacenza

Topologia Esistono due tipi differenti di topologia Topologia ARCO-POLIGONO Topologia ARCO-NODO

COVERAGE Poligonale Label-Points Topologia COVERAGE Poligonale Label-Points

COVERAGE Lineare (archi) Topologia COVERAGE Lineare (archi)

COVERAGE Topologia arco-poligono

COVERAGE Topologia arco-nodo

COVERAGE - Costruzione topologia Esempio Uso del Suolo Creazione topologia classica con ArcToolbox Build: polygon, line, node Clean

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 …..

COVERAGE - Applicazioni topologia Esempio Uso del Suolo Elenco dei poligoni adiacenti a ciascun elemento della Coverage A B C 3 1 2 D 4 5 Arc# L_poly R_poly L_use 1 A B …. 2 C 3 ….. 4 D 5 I poligoni adiacenti ad A sono quelli nei quali compare in L_poly o R_poly il valore A