GIS – Geographical Information Systems

gis

di ALESSANDRO il 18 aprile 2006

Definizione

Un Sistema Informativo Geografico, o GIS (da Geographic Information System), è un Sistema informatico per l’acquisizione, conservazione, analisi e visualizzazione di dati geografici. Viene definito sistema in quanto costituito da un insieme di componenti, hardware, software e umane, che interagiscono fra loro. Caratteristica essenziale di un GIS è la capacità di gestire dati geografici, o georeferenziati, vale a dire dati relativi ad elementi od oggetti della superficie terrestre la cui posizione è definita da un insieme di coordinate.

Il modello dei dati

In un GIS tutti gli oggetti presenti sulla superficie terrestre sono rappresentati mediante tre caratteristiche essenziali: la geometria, la topologia e gli attributi. La geometria riproduce la forma degli oggetti e viene ricondotta a tre elementi di base: punto, linea (o arco) e poligono (o area). Un punto viene utilizzato per riprodurre elementi puntiformi, come ad esempio un punto quotato, un pozzo, o la posizione di una stazione meteorologica. La linea definisce elementi a sviluppo lineare come una strada, una linea elettrica o un corso d’acqua. Il poligono definisce aree chiuse, come un edificio, un lago o un affioramento geologico.

La topologia è l’insieme delle informazioni che riguardano le mutue relazioni spaziali tra i diversi elementi come la connessione, l’adiacenza o l’inclusione. Ad esempio viene specificato se un arco è comune a due poligoni adiacenti, o se un poligono è completamente racchiuso all’interno di un altro.

Gli attributi rappresentano i dati descrittivi dei singoli oggetti reali. Per un elemento puntiforme rappresentante un pozzo, gli attributi possono ad esempio essere costituiti dalla profondità, l’anno di perforazione e il proprietario, per una stazione meteorologica la temperatura dell’aria o le precipitazioni, per una strada la larghezza, la categoria o il tipo di pavimentazione.

La rappresentazione dei dati

Nei GIS possono essere utilizzate due diverse tecniche di rappresentazione dei dati: vettoriale e raster. Nella rappresentazione vettoriale un punto è definito da una coppia di coordinate mentre una linea o un poligono dalle coordinate di un insieme di punti che quando connessi fra loro con segmenti retti, formano la rappresentazione grafica dell’oggetto (fig.1). Generalmente i due punti alle estremità di una linea vengono definiti nodi, i punti intermedi di una spezzata vengono definiti vertici.

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Fig.1 Rappresentazione vettoriale di punti, linee (archi) e aree (poligoni)

Un’immagine vettoriale è costituita da un insieme di caratteristiche geometriche e di attributi. La geometria è salvata in uno specifico formato vettoriale. Tutti gli attributi delle immagini vettoriali sono salvati in table all’interno di un database e collegati alle caratteristiche geometriche mediante una DBMI (Data Base Management Interface). Nella rappresentazione raster l’area considerata è suddivisa in un insieme di celle, generalmente di forma quadrata, in ciascuna delle quali viene registrato l’attributo (o categoria) presente. Ad ogni cella viene quindi attribuito un valore numerico (fig.2). Ad ogni oggetto di una carta raster può essere eventualmente attribuita, oltre al valore di categoria, un’etichetta descrittiva. I formati vettoriale e raster sono salvati in direttori diversi, e sono gestiti mediante comandi diversi, per cui è possibile assegnare lo stesso nome ad una carta vettoriale e ad una raster senza problemi di conflittualità.

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Fig.2 Rappresentazione raster di punti, linee (archi) e aree (poligoni).

In un GIS le diverse categorie di oggetti presenti sulla superficie terrestre sono distinti in elaborati diversi, o carte. Ogni elaborato contiene quindi una diversa caratteristica o tematismo, come l’idrografia, l’altimetria, ecc. (fig.3). E’ tuttavia possibile l’inserimento di diversi tematismi in una stessa carta suddividendoli in layer distinti.

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Fig.3 Rappresentazione del territorio mediante tematismi distinti, passibili di elaborazione tramite un GIS.

I dati in forma raster occupano generalmente più memoria dei dati in forma vettoriale in quanto ad ogni cella viene assegnato un attributo, anche se esistono tecniche di compattazione dei dati che limitano questo inconveniente. Il vantaggio è che lo spazio geografico risulta uniformemente definito in un modo semplice e prevedibile. In tal modo i sistemi raster hanno generalmente più potenza analitica dei sistemi vettoriali nell’analisi dello spazio continuo e sono pertanto adatti all’analisi di dati che presentano una continua variabilità nello spazio, come le temperature, le precipitazioni, l’altimetria ecc. Questi sistemi trovano quindi un’applicazione ottimale nella valutazione di problemi che includono numerose combinazioni matematiche di dati appartenenti a diversi tematismi. Sono quindi eccellenti nella valutazione di modelli ambientali. Infine, dal momento che le immagini da satellite impiegano una struttura raster, la maggior parte di questi sistemi può facilmente incorporare ed elaborare dati di questo tipo.

Componenti di un GIS

Per quanto all’utente un GIS può apparire come un unico programma di calcolo, in realtà esso è tipicamente suddiviso in un certo numero di componenti, o elementi, con funzioni diverse. Nella maggior parte dei GIS si possono comunemente individuare le seguenti componenti essenziali:

1) Un database spaziale e degli attributi

E’ costituito da un’insieme di carte e di informazioni associate, in forma digitale. Dal momento che nel database sono contenuti oggetti, o elementi, della superficie terrestre, è possibile distinguere un database spaziale che descrive la geografia (forma e posizione) degli oggetti, ed un database degli attributi, che descrive le caratteristiche, o qualità, degli stessi oggetti. Così, ad esempio, è possibile avere il perimetro di una porzione di superficie poligonale definito neldatabase spaziale mediante le coordinate dei vertici e alcune sue caratteristiche, come la litologia, il tipo di suolo, la pendenza media, contenute nel database degli attributi.

2) Un sistema di visualizzazione

Contiene quelle componenti che permettono la visualizzazione di elementi del database per produrre carte sia sullo schermo che su supporto cartaceo tramite una stampante o un plotter. Generalmente un GIS non produce rappresentazioni sofisticate, delegando ad altri sistemi specificamente dedicati la produzione di elaborati di alta qualità.

3) Un sistema di digitalizzazione

E’ costituito da un programma per convertire dati cartografici esistenti su supporto cartaceo in forma digitale e quindi passibili di elaborazione tramite il GIS. La digitalizzazione viene effettuata comunemente mediante una tavola grafica (o digitalizzatore) o direttamente da schermo su immagini acquisite tramite scanner.

4) Un sistema di analisi geografica

Caratteristica fondamentale di un GIS, che lo distingue dai tradizionali Sistemi di Gestione delle Basi di Dati (DBMS, Data Base Menagement System), è la capacità di confrontare differenti entità in base alla loro topologia. Si immagini ad esempio che di un determinato territorio siano disponibili due elaborati digitalizzati, rappresentanti il primo la distribuzione dei vari tipi vegetali, il secondo la distribuzione delle varie litologie. I due tematismi, vegetazione e litologia, non presentano ovviamente la stessa topologia; in altre parole gli appezzamenti con i diversi tipi di vegetazione hanno forma e distribuzione diversa dalle porzioni di territorio occupate dai diversi tipi litologici. Con un GIS è possibile individuare quelle aree in cui un particolare tipo vegetale risulta associato ad una particolare litologia. Questo tipo di operazione, molto usato nei GIS, è definito sovrapposizione (overlay), in quanto equivale all’operazione manuale di sovrapposizione di carte trasparenti contenenti tematismi diversi. E’ un’operazione non effettuabile con i comuni DBMS per la mancanza delle informazioni topologiche degli oggetti analizzati.

FONTE: Tutorial GRASS 6 (M.Ciolli, P.Zatelli) – Università degli Studi di Parma – Dipartimento di Scienze della Terra – 2005 (http://www.geo.unipr.it/~gis/TUTORIALS/GRASSESER.W/GRASS6.0.2.pdf) http://www.geo.unipr.it


Di GIANLUCA data: 30 settembre 2005

Schema per la costruzione della banca dati:

Aggiornato 23 maggio 2006

  • Costruire la banca dati (dati dinamici, le misure raccolte, le informazioni che si vogliono visualizzare) utilizzando MySql.
  • Costruire la base geografica separatamente (in shape file statitci o in un altro database che può essere Mysql con libreria OGR o meglio Postgres con estensioni Postgis)
  • Collegare queste due entità utilizzando Map Server un software open-source molto stabile e potente

Visualizzare e interrogare i dati geografici:

  • Costruire le banche dati (vedi sopra)
  • Collegarle fra di loro utilizzando Mapserver (scrivere i file .map)
  • Visualizzarle con uno dei seguenti strumenti:

Risorse:

  • Mapserver Il miglior visualizzatore GIS open source oggi presente
  • Maptools Società che lavora con i GIS e rilascia moltissimi strumenti con licenza open source. Ne sono un esempio ka-map e php mapscript.
  • WMS server Elenco di server WMS gratuitamente accessibili.
  • NASA – Earth project Un server WMS globale che mette a disposizione circa dieci differenti tipologie di immagini della Terra. Probabilmente è il datababse di imaggini gratuite con la più alta risoluzione. Il layer Global Mosaic Landsat 7 è quello con la corrispondenza dei colori più simile al visibile e la risoluzione migliore. Torino – layers=global_mosaic