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Telerilevamento e SIT - dica.unict.it Architettura GIS.pdf · Funzionalità GIS acquisizione dati...
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Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
A.A. 2012-2013
Telerilevamento e SITProf. Ing. Giuseppe Mussumeci
Architettura e funzionalità di una piattaforma GIS. Prima parte: modellazione dei dati geografici
Architettura di una piattaforma GIS
hardware
software
banche dati
procedure applicative
componente umana
unità di calcolo (elaboratore elettronico)
acquisizione e restituzione di dati di tipo grafico
collegamento in rete
di base: sistema operativo, di rete
gestione di dati territoriali (sw GIS)
gestione di data base
acquisizione, aggiornamento, elaborazione e restituzione dati
gestione archivi
modelli di simulazione e rappresentazione
interfacce utente
modelli, strutture e formati dei dati
gestori del sistema, Informatici, Applicativi
utenti generici e decisori
Funzionalità GIS
acquisizione dati
pre-elaborazione
gestione banche dati
analisi spaziale
generazione prodotti
da banche dati, da rilievi in campagna, da cartografia
generazione dati geografici da rilievi aerei e da immagini satellitari
conversione fra strutture di dati (raster-vector)
georeferenziazione, generalizzazioni e riduzioni
conversioni fra sistemi di coordinate, ….
riclassificazioni e aggregazioni
sovrapposizioni e integrazioni (overlay mapping)
analisi di rete (percorsi ottimali), aree di rispetto (buffer)
analisi raster (classificazione, percorsi minimi, ..), analisi DEM (pendenza, esposizione, ..)
connessioni con DBMS relazionali, controllo e priorità accessi
strutturazione DB geografici, estrazione e inserimento dati
storia dati e accessi
interfacce interattive a menu ed icone, multifinestre
carte tematiche, report statistici, diagrammi, grafici, ..
Acquisizione e trattamento dei dati geografici
L’informazione geografica proveniente dal mondo reale può essere gestita in ambiente GIS solo dopo un processo di astrazione che prevede i seguenti livelli:
interpretazione e analisi concettuale della realtà geografica e di fenomeni territoriali
- descrizione secondo MODELLI concettuali
- organizzazione in STRUTTURE di uso informatico
elaborazione mediante algoritmi matematici
- traduzione in FORMATI digitalilettura, interpretazione ed elaborazione mediante specifico software GIS
… sui modelli
Una strada può essere modellata come “area” compresa tra le linee di margine della carreggiata, se l’obiettivo dell’analisi, ad esempio, è la sua manutenzione
o come “poligonale” se, ad esempio, si deve inserire in un grafo per lo studio della mobilità.
…. sulle strutture
La scelta è legata a:
fonte del dato (ad es.: dal rilevamento topografico vector; da immagini satelliatri raster);
algoritmi e software specifici di elaborazione (analisi spaziali);
risultati che si vogliono conseguire (ad es.: carte topografiche di precisione o di immediata comprensione tematica).
sono riconducibili a DUE tipologie:
vettoriale
raster
La cartografia si basa sulla modellazione di dati geografici: i dati vengono memorizzati in formato elettronico secondo modelli e strutture ben definiti, che consentono di produrre rappresentazioni grafiche più o meno efficaci dal punto di vista concettuale e dell’interpretazione/interrogazione della carta stessa.
MODELLAZIONE DEI DATI GEOGRAFICI
1) Quali informazioni desideriamo dedurre dagli archivi di dati geografici?
e quindi
2) Quali sono i modelli di dati che descrivono un certo aspetto/fenomeno della realtà in funzione delle finalità della rappresentazione?
Una carta è una rappresentazione del territorio ottenuta attraverso primitive geometriche caratterizzate da:
♦ posizione nello spazio
♦ attributi non spaziali
Categorie di dati tipiche dell'informazione geo-topo-cartografica:
rappresentativi di fenomeni continui nel dominio di definizione, quali ad esempio l'uso del suolo o l’altimetria del terrerreno; i campi vengono discretizzati e rappresentati mediante matrici regolari di attributi (modello matrix o raster georeferenziato)
oggetti discontinui, delimitati da confini ben precisi; in ambito GIS le entità vengono usualmente rappresentate mediante modelli vettoriali, generalmente topologici, cui vengono associate tabelle di attributi.
Entità:
Campi:
In ambiente GIS l'informazione geografica deve supportare la modellazione di aspetti del territorio più o meno complessi (distribuzione di risorse infrastrutturali, vulnerabilità sismica dell'edificato di una provincia, ..) o, nelle applicazioni “dinamiche”, di fenomeni territoriali ad evoluzione spazio-temporale (rischio esondazioni, propagazione inquinanti aerei, mobilità di merci e persone, …).
La modellazione dei dati geografici dovrà essere coerente con le finalità dell'applicazione (SIT)
ESEMPIO 1 - Sistema Informativo per l’Agenzia del Territorio
OBIETTIVI: associare le proprietà catastali ai rispettivi proprietari
Esempi di possibili interrogazioni
- Evidenziare tutte le particelle appartenenti a una Ditta
- Dare gli indirizzi e le dimensioni superficiali di tutte le particelle appartenenti ad una Ditta
- Trovare tutte le particelle adiacenti alle particelle del signor XY
- Verificare se due proprietari hanno particelle confinanti
- Dare le dimensioni di tutte le particelle che si affacciano su una data strada
Relazioni topologiche tra entità grafiche e relazioni logiche con il DB dei Proprietari
PROBLEMA: quale modello di dati può rispondere alle esigenze evidenziate?
Particelle = entità superficiali georeferenziabili tramite coordinate dei punti che ne definiscono il perimetro (posizionamento diretto) o indirizzo (posizionamento indiretto)
Sono importanti non solo le posizioni degli oggetti (particelle) ma anche
le loro relazioni con altri oggetti (altre particelle, strade, proprietari,...)
ESEMPIO 2 - Sistema Informativo per esigenze di Protezione Civile
OBIETTIVI: possibilità di indicare il percorso ottimale da seguire in funzione della destinazione da raggiungere in un dato giorno e a una data ora.
Esempi di possibili interrogazioni
Individuare la centrale operativa da cui far partire i soccorsi
Trovare il percorso ottimale (in termini di tempo, distanza, minore vulnerabilità, ..)
Trovare un’alternativa di percorso a partire da un nodo del percorso (ad esempio per l’impossibilità di proseguire per motivi imprevisti/imprevedibili).
Visualizzare la mappa delle esondazioni fluviali e le interferenze con la rete stradale
……
Strade = entità lineari interconnesse attraverso nodi comuni
Origini/Destinazioni dei soccorsi = entità puntuali
la modellazione delle strade si baserà su primitive vettoriali e sulla teoria dei grafi.
le aree interessate dalle esondazioni potranno essere rappresentate mediante un modello raster
Sulla modellazione concettuale
E' la fase di analisi del contesto territoriale o del fenomeno di interesse, che conduce alla selezione e descrizione delle entità e delle mutue relazioni che lo caratterizzano.
ESEMPIO: analisi del rischio sismico di una strada
Strada: insieme di tronchi, identificati da nodi di inizio/fine, connessi tra loro, su cui è possibile individuare manufatti sensibili (ponti, rilevati, trincee, …) che possono essere identificati in punti aventi precise coordinate cartografiche.
Indipendente sia dal software che dall’hardware
Applicazione del modello ENTITA'-RELAZIONI (E-R)
Il formalismo del modello E-R si basa essenzialmente su:
entità e classi di entità; relazioni tra entità e classi di entità; attributi di entità e relazioni; cardinalità delle relazioni.
ESEMPIO: ENTITA’_ ciascun tronco o nodo o ponte, ….. è un’entità; la strada, nel suo complesso, è un’entità..
CLASSE DI ENTITA’_ l’insieme dei tronchi compone la classe dei tronchi stradali; l’insieme dei ponti compone la classe dei ponti ; ….
RELAZIONI_ ciascuna strada è composta da 1 ad N tronchi; ogni manufatto appartiene a un tronco; ogni tronco collega due nodi, ….
ATTRIBUTI_ nome e lunghezza della strada; lunghezza del tronco; altezza e tipologia del ponte, ….
CARDINALITA’_ numero minimo (0 o 1) e massimo (N) di entità collegate da una relazione; sono quattro, due per ogni verso della relazione.
STRADA
Nome
lunghezza
TRONCO
Lunghezza
PONTE
altezza
tipologia
1 - N
1 - 1
Tronchi che compongono
la strada
Ponti presenti sul tronco
attributi
entità
relazioni
Minima e massima cardinalità
0 - N
1 - 1
DIAGRAMMA ENTITA' - RELAZIONE:
MODELLAZIONE DEI DATI GEOGRAFICI
Componenti del dato geografico:
aspetto spaziale:
geometria/topologia
aspetto di qualità
aspetto semantico:
attributi statistici e/o
testuali
L‘ aspetto geometrico delle entità geografiche è descritto mediante elementi standard di base, detti primitive geometriche.
La geometria dipende dalla scala di rappresentazione (dettaglio e approssimazioni rispetto alla "realtà").
La componente geometrica può essere:
• vettoriale (coordinate dei punti che descrivono la forma geometrica)
• raster (insieme di pixel corrispondenti al particolare oggetto)
Aspetto spaziale
L'aspetto di qualità è descritto mediante le seguenti categorie:
Accuratezza (veridicità del dato);
Completezza (esaustività in relazione alla scala di rappresentazione);
Aggiornamento (vicinanza temporale dell’acquisizione).
La componente semantica è data dall’insieme degli attributi di vario dominio (numerico, stringa, …) associati alla parte geometrica del dato.
Aspetto semantico
Aspetto qualità
PRIMITIVE GEOMETRICHE VETTORIALI
Punto: è una primitiva geometrica 0-dimensionale, la cui posizione spaziale è descritta da coordinate (posizionamento diretto)
Curva: è una primitiva geometrica limitata, continua, monodimensionale e può essere chiusa o aperta.
Una curva è descritta da un metodo di interpolazione applicato ad una lista di due o più posizioni dirette.
Una curva può intersecare se stessa:
- esplicitamente (nella lista delle coordinate ci sono uno o più valori ripetuti);
- implicitamente (il metodo di interpolazione applicato alla lista di coordinate dà luogo al passaggio della curva due o più volte dalla stessa posizione spaziale).
Bordo: è un elemento chiuso monodimensionale non intrecciato (né esplicitamente, né implicitamente); può essere composto da una o più curve.
Superficie: è una primitiva geometrica limitata, continua, bidimensionale, delimitata da un bordo esterno e da zero o più bordi (o confini) interni non annidati e non intrecciati.
Il modello vettoriale è una struttura dati più complessa del raster. E’ necessario memorizzare esplicitamente le coordinate di ciascun vertice.
E' estremamente utile per descrivere fenomeni discreti (rete di collegamento stradale o di distribuzione dell’energia elettrica), ma è meno adatto per descrivere fenomeni continui, cioè fenomeni che rappresentano un'unica grandezza che varia continuamente nello spazio(temperatura, precipitazioni, quota, pendenza)
Presenta maggiori difficoltà di elaborazione nelle operazioni di sovrapposizione (overlay) (es. linea su poligono)
Caratteristiche del modello vettoriale
Dati rappresentabili nella loro forma e risoluzione originale, senza applicare generalizzazioni.
La maggior parte dei dati geografici è disponibile in forma vettoriale.
L’accuratezza nel posizionamento geografico dei dati viene mantenuta.
Caratteristiche del modello vettoriale
Ciascuna entità territoriale di interesse (feature) viene rappresentata mediante punti, linee, poligoni o combinazioni di questi elementi base.
La georeferenziazione delle varie entità territoriali avviene associando a ciascun elemento base la corrispondente posizione geografica.
Quindi un punto è memorizzato con una coppia di coordinate (x,y);la linea, in quanto insieme di punti, come serie ordinata di coordinate; le aree infine vengono codificate con una serie di coordinate relative ai segmenti di linea che racchiudono un poligono.
Caratteristiche del modello vettoriale
PRIMITIVE GEOMETRICHE RASTER
Si basano su strutture (frame) con cui si partiziona lo spazio considerato con forma e disposizione regolare.
Si hanno strutture bi o tridimensionali
Ogni elemento è definito dal numero di riga, colonna (2D) e strato (3D).
Definita l'origine del sistema di riferimento e dato un ordine di numerazione lungo i tre assi, ogni elemento unitario nella struttura è univocamente definito da tre numeri interi: numero di riga, numero di colonna, numero di piano.
Griglia: è una distribuzione regolare di punti, derivabile dagli angoli di tassellatura determinati da una struttura.
Una griglia è definita in accordo con la specifica struttura che fornisce la posizione spaziale di ogni punto della griglia stessa.
PRIMITIVE GEOMETRICHE RASTER
Banda raster:
primitiva geometrica bidimensionale costituita da una porzione limitata e rettangolare di una specifica struttura rettangolare bidimensionale.
Pixel:
primitiva geometrica bidimensionale quadrata o rettangolare, elemento base di una specifica struttura 2D.
La sua posizione spaziale è definita dal numero di riga e di colonna.
Voxel: è una primitiva geometrica tridimensionale, elemento base per una specifica struttura a tre dimensioni.
Blocco raster: è una primitiva geometrica corrispondente ad una porzione di una struttura a tre dimensioni.
La posizione geografica di ogni cella è implicitamente individuata dalla sua posizione nella matrice. La struttura richiede quindi solo la memorizzazione delle coordinate di un punto origine (normalmente l’angolo superiore sinistro).
Data la metodologia di memorizzazione dei dati, l’analisi dei dati è facilmente implementabile e veloce da eseguire (si lavora con matrici) .
La natura delle mappe raster, mappatura di un unico attributo, è adatta alla modellazione matematica e all’analisi quantitativa.
Caratteristiche del modello raster ( e GRID)
La posizione geografica di ogni cella è implicitamente individuata dalla sua posizione nella matrice. La struttura richiede quindi solo la memorizzazione delle coordinate di un punto origine (normalmente l’angolo superiore sinistro).
Data la metodologia di memorizzazione dei dati, l’analisi dei dati è facilmente implementabile e veloce da eseguire (si lavora con matrici) .
La natura delle mappe raster, mappatura di un unico attributo, è adatta alla modellazione matematica e all’analisi quantitativa.
Caratteristiche del modello raster ( e GRID)
Modello adatto a visualizzare fenomeni che variano con continuità (ad es. l’andamento del terreno o le variazioni graduali di vegetazione)
La dimensione della cella determina la risoluzione con cui vengono rappresentati i dati. Le unità geometriche di base (punto,linea,poligono) vengono “espanse” su gruppi di pixel: difficoltà di gestione della topologia e perdita di risoluzione
Possibile migliorare la risoluzione utilizzando un maggior numero di pixel a scapito di un notevole aumento di memoria richiesta per l’archiviazione del modello.
Struttura semplice, consente di implementare le operazioni di overlay con facilità ed efficienza
Ridondanza dei dati in zone in cui il valore dell’attributo mappato è omogeneo
Poiché la maggior parte dei dati sono espressi in forma vettoriale, i dati devono essere sottoposti ad una conversione vector-raster.
L’introduzione di tale ulteriore processo elaborativo può creare problemi relativi all’integrità dei dati a causa dell’inevitabile effetto di generalizzazione e di una eventuale scelta errata della dimensione della cella.
NOTA BENE
Per la corretta progettazione di una base di dati raster, è importante considerare il rapporto tra la risoluzione geometrica e il minimo elemento rappresentabile.
L’area evidenziata copre una superficia minima di ogni cella e non verrà rappresentata.
L’area copre gran parte di un numero significativo di celle per essere rappresentata.
Celle di dimensioni pari almeno alla metà della lunghezza del più piccolo elemento lineare da rappresentare o ad un quarto dell’area (elementi poligonali)
Celle di dimensioni pari almeno alla metà della lunghezza del più piccolo elemento lineare da rappresentare o ad un quarto dell’area (elementi poligonali)
RELAZIONI SPAZIALI TRA ENTITA’ GEOGRAFICHE
L‘ analisi di una carta consente di:
• avere una conoscenza del territorio sia puntuale (basata sull'osservazione di ogni singolo oggetto) che generale (visione d'insieme);
• sviluppare processi logici di tipo deduttivo e induttivo in funzione di relazioni di concomitanza, vicinanza, frequenza,...;
Le relazioni spaziali tra entità geografiche rintracciabili su una carta possono essere classificate in vari modi.
Una distinzione è quella tra le relazioni che sono indipendenti dall’orientamento, dette RELAZIONI TOPOLOGICHE, e quelle che ne dipendono, dette RELAZIONI DIREZIONALI.
TOPOLOGIA
Per garantire la consistenza della rappresentazione si devono introdurre vincoli e relazioni di tipo non metrico (relazioni spaziali)
E’ la disciplina matematica che si occupa di connessione e adiacenza di punti e linee e che permette quindi di analizzare le relazioni spaziali tra dati geografici.
Un qualsiasi aggiornamento della carta dovrà rispettare i vincoli topologici imposti alle varie entità geografiche coinvolte.
RELAZIONI TOPOLOGICHE tra entità geografiche:
- equivalenza (si sovrappone completamente);
- equivalenza parziale (si sovrappone parzialmente, attraversa);
- contenimento (è interna);
- adiacenza (è connessa o incontra);
- separatezza (è disgiunta)
RELAZIONI TOPOLOGICHE tra entità geografiche:
- equivalenza (si sovrappone completamente);
- equivalenza parziale (si sovrappone parzialmente, attraversa);
- contenimento (è interna);
- adiacenza (è connessa o incontra);
- separatezza (è disgiunta)
La topologia è invariante per deformazioni elastiche e continue (ad esempio trasformazioni di datum o di sistema di coordinate) ed è descritta attraverso primitive o relazioni topologiche.
Si hanno anche relazioni di vicinanza che descrivono la distanza tra entità geografiche sia in termini metrici quantitativi (misura della distanza) che in termini qualitativi, mediante termini quali
- vicino
- lontano
- in prossimità di
Si hanno anche relazioni di vicinanza che descrivono la distanza tra entità geografiche sia in termini metrici quantitativi (misura della distanza) che in termini qualitativi, mediante termini quali
- vicino
- lontano
- in prossimità di
Relazioni topologiche, direzionali e di vicinanza sono spesso utilizzate in combinazione tra loroRelazioni topologiche, direzionali e di vicinanza sono spesso utilizzate in combinazione tra loro
RELAZIONI DIREZIONALI tra entità:
- di fronte a
- dall’altra parte di
- sopra
- sotto
- a destra
- a sinistra
- descrizioni metriche di angoli azimutali
RELAZIONI DIREZIONALI tra entità:
- di fronte a
- dall’altra parte di
- sopra
- sotto
- a destra
- a sinistra
- descrizioni metriche di angoli azimutali
Topologiche
b è interno a c
a è connesso a c
d è disgiunto da a
f è sovrapposto a e
Vicinanza
a vicino a b
f lontano da a
Direzionali
g a est di b
d a nord di g
Esempio
Topologia di strutture vettoriali
Relazione tra le diverse entità geograficheOrganizzazione dei dati geografici in livelli o strati informativi
Tre diverse topologie:
- totalmente poligonale
- arco-nodo
- relazionale
Ogni strato informativo è costituito da poligoni indipendenti, ciascuno definito dalla successione dei vertici che ne definiscono il perimetro.
LIMITI:- NO analisi spaziali;-Ridondanza (linee doppie)-difficoltà di modifica e aggiornamento
ID coordinate
1 (E,N), (E,N), (E,N), …
2 (E,N), (E,N), (E,N), …
.
N (E,N), (E,N), (E,N), …
Ogni linea di contorno viene memorizzate due volte, per ciascuno dei poligoni adiacenti
Ad ogni poligono possono essere associati dati descrittivi
Struttura poligonale
VANTAGGI:- semplicità ed economia di memoria;- efficienza e velocità di accesso e consultazione (grandi DB).
Organizzazione gerarchica degli oggetti per punti, linee e poligoni (entità geometriche elementari)
Struttura arco-nodo
ID ID linee
A .., .., .., ..,
B a,b,c,e,d
.
S .., .. , .., ..,
Poligono (territorio provinciale)
Linea (confine)
ID nodo iniz. nodo fin.
d 5 4
e 2 5
--
q -- --
Punto
ID coordinate
1 (E,N)
2 (E,N)
.
N (E,N)
d
ab
e
c
A
C
B
E
D
2
34
9
5
116
Nella topologia relazionale le informazioni topologiche e quelle descrittive sono memorizzate in strutture separate.
Ogni riga rappresenta un elemento geografico, di cui vengono memorizzati attributi direttamente calcolati/assegnati dal sistema (identificativo, coordinate, dimensioni, ..) e gli attributi descrittivi di interesse.
Ogni riga rappresenta un elemento geografico, di cui vengono memorizzati attributi direttamente calcolati/assegnati dal sistema (identificativo, coordinate, dimensioni, ..) e gli attributi descrittivi di interesse.
Le informazioni descrittive sono contenute in tabelle che vengono a costituire un database relazionale.
Struttura relazionale
VANTAGGI:- possibilità offerte dai database relazionali di connessione diretta, attraverso attributi relazionali, ad altre tabelle di informazioni o di altri database;- standard per i GIS finalizzati ad analisi spaziali.