Modulo introduttivo: i Sistemi Informativi Geografici (GIS)

Gaia Gullotta 14-15 Maggio 2014, Castrignano dei Greci – Laboratori dal Basso (LdB)

Modulo introduttivo: i Sistemi Informativi Geografici

• Cos’è un GIS ed il suo potenziale applicativo • Modelli di rappresentazione e relazioni spaziali • Coordinate e sistemi di proiezione • Tabelle attributi e loro gestione • Principali strumenti operativi e di analisi • Simbologia cartografica e layout di stampa • Introduzione al telerilevamento • Standard OGC • Risorse sul web ed esercizi di fotointerpretazione

I

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Il reticolo geografico

Considerando la Terra una sfera ed immaginando un piano perpendicolare all’asse terrestre passante per il centro identifichiamo l’Equatore, ovvero la circonferenza massima equidistante dai poli.

I paralleli sono altre circonferenze generate da altri piani perpendicolari all’asse con lunghezze inferiori all’Equatore man mano che ci si avvicina ai poli.

Piani contenenti l’asse terrestre generano i meridiani

Il reticolo geografico

L’insieme dei paralleli e meridiani costituisce il reticolo geografico

- LATITUDINE: distanza angolare di un punto sulla superficie terrestre dall’Equatore - LONGITUDINE: distanza angolare di un punto sulla superficie terrestre da un determinato meridiano misurata sull’arco di parallelo che passa per quel punto

Fondamentale per la determinazione della posizione assoluta di un punto sulla superficie terrestre le cui coordinate geografiche saranno:

Le proiezioni geografiche

Le metodologie utilizzate, comprendenti regole geografico-matematiche, per rappresentare in piano la superficie terrestre costituiscono le proiezioni geografiche.

Una carta geografica risulta una rappresentazione piana, ridotta,approssimata e simbolica della superficie terrestre!

Le proiezioni geografiche

Una rappresentazione della superficie terrestre (una carta) per essere considerata esatta deve soddisfare contemporaneamente 3 requisiti:

- EQUIDISTANZA: inalterato il rapporto tra distanze reali e grafiche);

- EQUIVALENZA: inalterato il rapporto tra aree reali ed aree grafiche;

- ISOGONIA: l’angolo formato da due linee qualsiasi sulla rappresentazione è uguale all’angolo tra le stesse linee sulla superficie terrestre (rappresentazione conforme).

Le proiezioni geografiche

Le proiezioni geografiche si dividono in:

PURE MODIFICATE CONVENZIONALI

Il reticolo geografico è riportato su superficie ausiliaria applicando solo i principi geometrici. Tale superficie può essere un piano (proiezioni prospettiche) o un solido sviluppabile in piano (proiezioni di sviluppo)

Derivano dalle pure con l’apporto di correzioni per diminuire le deformazioni generate dallo sviluppo della superficie terrestre in un piano

Basate su relazioni matematiche tra i punti della superficie terrestre ed i loro corrispondenti sulla carta. Secondo gli scopi si possono costruire carte che soddisfino uno dei requisiti tra: equivalenza, equidistanza ed isogonia

Le proiezioni pure prospettiche

La Terra viene considerata perfettamente sferica. Il piano di proiezione è tangente o secante il globo terrestre. Il punto da cui si costruisce la proiezione è detto “punto di vista”, il piano invece è chiamato “quadro”.

In questo modo si possono ottenere infinite proiezioni ma solo alcune sono di reale interesse

Le proiezioni pure prospettiche

Proiezione centrografica

- IN BASE ALLA POSIZIONE DEL PUNTO di VISTA DISTINGUIAMO:

Il punto di vista coincide con il centro della terra

Le proiezioni pure prospettiche

Proiezione stereografica

Il punto di vista è sulla superficie terrestre

Le proiezioni pure prospettiche

Proiezione scenografica

Il punto di vista è a distanza finita dalla Terra

Le proiezioni pure prospettiche

Proiezione ortografica

Il punto di vista è a distanza infinita dalla Terra

Le proiezioni pure prospettiche

- IN BASE ALLA POSIZIONE DEL QUADRO DISTINGUIAMO:

POLARI EQUATORIALI OBLIQUE

Il piano è tangente ad un polo (solo

per rappresentare i poli, troppe

deformazioni)

Il piano è tangente ad un punto dell’equatore

Il piano è tangente ad un punto qualsiasi della superficie

Le proiezioni pure prospettiche

Considerando sia il punto di vista che il quadro possiamo ottenere tutte le combinazioni possibili:

Centrografica polare

Centrografica equatoriale

Centrografica obliqua

Stereografica polare

Stereografica equatoriale

Stereografica obliqua

Scenografica polare

Scenografica equatoriale

Scenografica obliqua

Ortografica polare

Ortografica equatoriale

Ortografica obliqua

Le proiezioni pure di sviluppo

Nelle proiezioni di sviluppo la superficie di proiezione può essere costituita da un cilindro o da un cono.

proiezioni cilindriche e coniche.

Le proiezioni pure di sviluppo

- PROIEZIONI CILINDRICHE:

Il cilindro che avvolge la Terra può essere tangente all’Equatore o secante lungo due paralleli a scelta.

L’asse terrestre coincide con l’asse del cilindro

Le proiezioni pure di sviluppo

Sviluppando il cilindro si ottiene una griglia formata dai meridiani, che sono un fascio di rette equidistanti ortogonali all’Equatore e dai paralleli, un fascio di rette anch’esse equidistanti ma paralleli all’Equatore (parallelo fondamentale).

Solo l’Equatore nelle tangenti e i 2 paralleli nelle secanti hanno lunghezza proporzionale a quella reale.

I poli non sono rappresentati da punti ma da linee

Le proiezioni pure di sviluppo

Nella proiezione detta “cilindrica vera” o “proiezione cilindrica equivalente di Lambert” i paralleli non sono equidistanti, ma più ravvicinati man mano che ci si sposta verso i poli.

Tale proiezione soddisfa i requisiti di equivalenza ed equidistanza solo lungo l’equatore.

Le proiezioni pure di sviluppo

- PROIEZIONI CONICHE:

Il cono che avvolge la Terra può essere tangente ad un parallelo o secante lungo due paralleli.

L’asse terrestre coincide con l’asse del cono

Le proiezioni pure di sviluppo

Sviluppando il cono si ottiene una griglia formata dai paralleli, che sono archi concentrici, e dai meridiani, che sono i raggi di queste circonferenze. Così si ottengono celle trapezoidi , ovvero trapezi con base curva

La proiezione detta “conica vera” è solo una delle proiezioni coniche possibili. Tale proiezione soddisfa i

requisiti di equivalenza ed

equidistanza solo lungo

il parallelo di tangenza.

Le proiezioni modificate

Si tratta di proiezioni pure modificate per ridurre le deformazioni che si formano passando dalla superficie terrestre al piano di proiezione

La più famosa è del celebre cartografo Mercatore: “la proiezione conforme di Mercatore”

Le proiezioni modificate

Proiezione cilindrica modificata per ridurre lo schiacciamento delle zone polari.

I paralleli si distanziano allontanandosi dall’Equatore

I meridiani sono equidistanti ed ortogonali ai paralleli

Le proiezioni modificate

La proiezione conforme di Mercatore è conforme, equidistante solo lungo l’Equatore e non equivalente

Grandi le deformazioni vicino i poli. Emblematica l’estensioni della Groenlandia rispetto all’ America Meridionale

Le proiezioni modificate

Proiezione molto utilizzata nel mondo della navigazione grazie all’isogonia che la caratterizza. Infatti le linee rette (lossodromie) attraversano i meridiani sempre con angolo costante.

Questo permette di fissare e mantenere una data rotta, cosa molto comoda per la navigazione anche se non costituiscono il percorso più breve tra due punti (ortodromie)

Le proiezioni convenzionali

Le proiezioni convenzionali, dette anche “rappresentazioni”, vengono costruite attraverso le relazioni matematiche associate ai diversi punti della superficie terrestre.

A seconda delle analogie geometriche si distinguono in: - PSUDOCILINDRICHE

- PSEUOCONICHE

Le proiezioni convenzionali

La più famosa pseudocilindrica è del celebre matematico tedesco K.F. Gauss: “Rappresentazione conforme di Gauss” o “cilindrica trasversa di Mercatore”

Il cilindro è tangente ad un meridiano invece che all’Equatore

Esistono infiniti possibili cilindri perché infiniti sono i meridiani

- PROIEZIONI PSEUDOCILINDRICHE:

Le proiezioni convenzionali

Il meridiano tangente e l’Equatore sono ortogonali.

È accettata la rappresentazione compresa tra 3°E e 3°W dal meridiano di tangenza. Tale porzione è detta fuso.

Gli altri meridiani sono curve simmetriche al meridiano tangente, i paralleli curve concentriche intorno ai poli.

La proiezione è conforme, infatti meridiani e paralleli formano angoli retti l’equidistanza è rispettata lungo il meridiano tangente, allontanandosi dal quale aumentano le deformazioni

Le proiezioni convenzionali

“Omalografica di Mollweide” è costruita a partire da un’ellisse con asse maggiore, coincidente con l’Equatore, di lunghezza doppia dell’asse minore, coincidente con il meridiano di Greenwich.

I meridiani sono semiellissi attorno al Meridiano fondamentale e sono equidistanti lungo l’Equatore. I paralleli sono distanziati per assicurare l’equivalenza della rappresentazione

Usata soprattutto per costruzione di planisferi

- PROIEZIONI PSEUDOCILINDRICHE:

Le proiezioni convenzionali

- PROIEZIONI PSEUDOCILINDRICHE:

“Proiezione di Hammer” è costruita a partire da un’ellisse simile a quello di Mollweide ma in questo caso anche i paralleli sono curve che si distanziano maggiormente più ci si allontana dal meridiano centrale. Per tale motivo pur essendo equivalente non va bene per rappresentare le alte latitudini.

Le proiezioni convenzionali

- PROIEZIONI PSEUDOCILINDRICHE:

“Proiezione ellittica di Eckert”: Equatore e meridiano centrale sono perpendicolari, il primo è il doppio del secondo, i paralleli sono rettilinei e distanziati (si avvicinano verso i poli) in modo da ottenere equivalenza. I due meridiani estremi sono semicirconferenze con diametro uguale al meridiano centrale

Le proiezioni convenzionali

- PROIEZIONI PSEUDOCILINDRICHE:

“Proiezione sinusoidale di Sanson-Flamsteed”: i paralleli sono rettilinei ed equidistanti, i meridiani invece sono sinusoidi eccetto quello centrale che è rettilineo. La proiezione è equivalente e rappresenta bene la zona equatoriale, invece parecchie deformazioni incorrono alle medie ed alte latitudini.

Le proiezioni convenzionali

- PROIEZIONI PSEUDOCONICHE:

“Policonica”: La superficie terrestre è stata suddivisa in zone sferoidali, avvolte poi in coni retti tangenti al loro parallelo medio. Sviluppando tali superfici si ottengono fasce e i paralleli sono archi di circonferenze concentriche. La rappresentazione è equidistante solo lungo il meridiano centrale e i paralleli.

Le proiezioni convenzionali

- PROIEZIONI PSEUDOCONICHE:

“Poliedrica” o “Policentrica”: Il globo terrestre è avvolto da un poliedro con numerose facce, ognuna è tangente ad una porzione di superficie e costituisce un piano di proiezione indipendente in cui le deformazioni sono piccole e concentrate sui bordi.

Le proiezioni convenzionali

- PROIEZIONI PSEUDOCONICHE:

“Proiezione di Bonne”: I paralleli sono archi di circonferenze concentriche, ma a differenza della conica vera anche i meridiani sono curvilinei eccetto quello centrale. La proiezione è equivalente ed è molto utilizzata per latitudini intermedie.

Le proiezioni interrotte

Dette anche “discontinue”, in genere sono particolari pseudocilindriche per costruire planisferi.

Un meridiano fondamentale per ogni continente, quindi è come se fossero più proiezioni indipendenti. Utilizzando solo una parte del reticolato si ottengono meno deformazioni e più equivalenza. (Si può anche costruirla in funzione degli oceani).

La scelta della proiezione

Non esiste una proiezione migliore di un’altra

Tutto dipende dallo scopo del nostro lavoro!

In generale sono consigliate: - Per le zone polari e per le alte latitudini le prospettiche - Per le medie latitudini le coniche - Per le basse latitudini le cilindriche - Per le carte tematiche alcune pseudocilindriche - Per gli atlanti le convenzionali sono le più usate - Per la navigazione le isogoniche

?

Dalla rappresentazione poliedrica al Sistema UTM

Dall’Unità d’Italia ai primi del ‘900 era in uso la proiezione poliedrica con scala 1:100 000 per la rappresentazione cartografica del nostro Paese.

I singoli fogli della carta poliedrica sono trapezi isosceli, la cui base è un arco di parallelo, l’altezza un arco di meridiano.

I trapezi non sono tutti uguali perché l’arco di parallelo diminuisce avvicinandosi ai poli

Arco di parallelo

Arc

o d

i m

eridia

no

Dalla rappresentazione poliedrica al Sistema UTM

Dalla metà del Novecento è stata adottata la rappresentazione conforme di Gauss per uniformarsi al sistema di proiezione di altri Paesi.

Tale rappresentazione è stata adattata per il nostro Paese dal geodeta Giovanni Boaga.

A seguito di accordi internazionali l’Italia entra a far parte del Sistema Cartografico UTM

Il Sistema UTM

U.T.M. = Universal Transverse Mercator

Estensione globale della rappresentazione di Gauss

La Terra è suddivisa in:

60 fusi, numerati da 1 a 60 a partire dal Meridiano fondamentale Greenwich e procedendo in senso W-E. I fusi hanno un’ampiezza longitudinale di 6°

20 fasce tra gli 80°N e gli 80°S, distinte da lettere alfabetiche maiuscole. Le fasce hanno un’ampiezza latitudinale di 8°

Il Sistema UTM

Dall’intersezione fusi fasce si ottiene una maglia trapezoidale di 1200 trapezi detti zone. Ogni zona è identificata dal numero del fuso e dalla lettera della fascia

Ogni fuso è suddiviso in quadranti (l =100 km), identificati da due lettere maiuscole, una per la colonna ed una per la riga di appartenenza. Con un’ulteriore suddivisione si ottiene un reticolo kilometrico, così si può calcolare la distanza di un punto in km rispetto all’Equatore e al meridiano centrale del fuso.

La rappresentazione Gauss-Boaga

I meridiani centrali dei due fusi capitano a: 9° EST di Greenwich 15° EST di Greenwich

2 fusi di 6° di ampiezza (fuso Ovest e fuso Est)

Per garantire la continuità è stata creata una zona di sovrapposizione prolungando di 30’ il fuso Ovest fino ad arrivare al meridiano di Roma Monte Mario

La rappresentazione Gauss-Boaga

il territorio italiano è compreso tra le fasce T e S e tra i fusi 32 e 33.

In realtà parte della Penisola Salentina ricade nel fuso 34, ma per comodità si è preferito ampliare il fuso 33 ed avere solo due fusi.

La Carta topografica d’Italia

-Istituto Geografico Militare Italiano - Dal 1800 agli inizi del ‘900 - Scala 1: 100 000

- 1 quadrante = 4 tavolette - ogni tavoletta è ingrandita a scala 1:25 000 - 1 tavoletta è circa 96 kmq

- 277 fogli (8 aggiunti, totale 285) - 1 foglio è circa 1500 kmq

- 1 foglio = 4 quadranti - ogni quadrante è ingrandito a scala 1:50 000 - 1 quadrante è circa 375 kmq

- 1 tavoletta = 4 sezioni - ogni sezione è ingrandita a scala 1:10 000

La Carta topografica d’Italia

- I fogli sono identificati da numeri arabi (da N a S procedendo in senso W - E)

Questi identificativi delle carte sono dette “estremi di una carta” a cui si aggiunge il nome dell’oggetto geografico più rilevante compreso nella rappresentazione.

I quadranti da numeri romani (partendo in alto a destra e continuando in senso orario)

le tavolette in base alla posizione all’interno del quadrante (NE, NO, SE, SO)

le sezioni con le lettere alfabetiche A, B, C, D (partendo in alto a destra e continuando in senso orario)

La Carta topografica d’Italia

Dal 1965 IGM lavora alla nuova Carta topografica d’Italia (652 fogli previsti) per adeguarsi al progetto di inserimento nella cartografia unificata europea

La produzione cartografica italiana

Istituto Idrografico della Marina pubblica carte idrografiche comprendenti profili costieri, batimetria dei fondali, posizione dei fari, porti ecc.

Servizio Geologico Nazionale pubblica carte geologiche (es. la Carta geologica d’Italia 1:100 000)

Catasto pubblica mappe catastali a grande scala

Istituto Geografico militare (IGMI) pubblica la Carta topografica d’Italia, Carta stradale d’Italia 1:200 000, alcune carte speciali tra cui: archeologiche, geomagnetiche,

aeronautiche ecc..

La produzione cartografica italiana

Moltissimi istituti non statali e case editrici pubblicano numerosi atlanti e carte speciali

Touring Club Italiano Pubblica soprattutto Carte stradali d’Italia e d’Europa. Interessante la Carta dell’utilizzazione del suolo d’Italia 1: 200 000, l’Atlante fisico - economico d’Italia, Atlante Internazionale e la cartografia

turistica con scala1:50 000

La geodesia e i Sistemi di riferimento

La Terra è stata spesso considerata una sfera, anche in molti casi si è rivelata un’approssimazione troppo imprecisa

La geodesia, una delle più antiche scienze, ha come obiettivo la determinazione della forma e dimensione della Terra, la definizione e realizzazione di sistemi di riferimento e lo studio del campo gravitazionale .

L’approssimazione ad un ellissoide di rotazione (biassiale) si è rivelata spesso più utile per la definizione di coordinate planimetriche. Tale figura geometrica viene descritta efficacemente da due parametri: -Semiasse maggiore -Eccentricità (rapporto di schiacciamento)

La geodesia e i Sistemi di riferimento

Airy 1830

Bessel 1841

Clarke 1866

Hayford 1910

WGS72 1972

GRS80 1980

WGS84 1984

“Ellissoide Internazionale” o “International” 1924 dopo che è stato adottato dall'Unione Internazionale di Geodesia e Geofisica IUGG nel 1924.

Il geoide

Per la definizione di coordinate altimetriche viene preferito il geoide: un solido la cui superficie è perpendicolare in ogni suo punto al filo a piombo, ovvero la superficie equipotenziale del campo gravitazionale che meglio approssima il livello medio del mare.

1. Oceano 2. Ellissoide di

riferimento 3. Filo a piombo 4. Continente 5. Geoide

Sistemi di coordinate

Sistemi di coordinate: sono genericamente tutti i tipi di coordinate che servono a determinare la posizione dei punti della superficie terrestre in un sistema di riferimento.

I più diffusi: -Coordinate geografiche (in gradi sessagesimali) -Coordinate piane (in metri)

Datum planimetrico: È il modello matematico per definire le coordinate. Tale modello è costituito da 8 parametri su: forma, posizione e orientamento dell’ellissoide.

Italia

Datum ante 1940: ellissoide di Bessel; cartografia dal 1877 al 1942

Datum post 1940: ellissoide di Hayford; rappresentazione conforme di Gauss poi Gauss-Boaga

European Datum 1950 (ED50): ellissoide di Hayford con orientamento medio europeo; Sistema UTM

World Geodetic System (WGS84): sistema geocentrico (il sistema di riferimento ha origine dal centro di massa della Terra); ellissoide WGS84. Il Dipartimento della Difesa USA è stato il primo ad utilizzarlo. Oggi è molto diffuso (es. satelliti GPS). Non esiste una rappresentazione cartografica ufficiale, viene utilizzata la UTM, rinominata UTM-WGS84.

La georeferenziazione

La precisione di un Sistema Informativo Geografico esprime la qualità della georeferenziazione delle informazioni territoriali nel sistema di riferimento adottato.

Esistono specifici software per effettuare la georeferenziazione. In genere viene utilizzata la tecnica dei Ground Control Points (o “punti di controllo”).

“georeferenziazione” è un neologismo che sta per l’insieme di procedure che consente di attribuire ai dati territoriali informazioni geografiche che permettono la loro distribuzione nello spazio.

La georeferenziazione

Esistono molti software che permettono la conversione tra sistemi di coordinate. Anche sul web molti convertitori free di

coordinate.

Oggetti geografici più complessi necessitano di più Ground Control Points assegnati.

Bisogna sempre fare attenzione ai dataset che si stanno utilizzando e agli obiettivi che si stanno perseguendo!

Bib

liog

rafia

ACCORDI B., LUPIA PALMIERI E., PAROTTO M., 1993-Il globo terrestre e la sua evoluzione.

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BARBONI R., 2001-fondamenti di aerospaziale, volume I, ESAGRAFICA, Roma.

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FUSCO L., LORET E., MINCHELLA A., ANTUNES J. - Il progetto Bacchus, un’applicazione di

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GULLOTTA G. "Applicazione di tecniche di analisi del paesaggio per il settore settentrionale del

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ISPRA, 2008 - Indicatori di Biodiversità per la sostenibilità in agricoltura/linee guida, strumenti e

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LORET E., PESOLILLO S. & PECCI A. - Analisi ed integrazione di dati bioclimatici nel WebGIS

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MIGANI M. & SALERNO G., 2009 - Manuale ArcGIS. D. Flaccovio Editore.

Siti internet:

www.esa.int

www.isprambiente.it

http://www.opengeospatial.org/

http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=welcome