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Ing. M. PETRI
m.petri_at_ing.unipi.it
GIS Geographic Information System
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Sommario

• Storia e significato di GIS
• Tipi di dati
• Raster
• Vettoriale
• TIN
• Tipi di formato di file (sia per raster che per
  vettoriale)
• Topologia

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Cosè il GIS
GIS - SIT

• Il sottoinsieme di una organizzazione finalizzato
  alla gestione dellinformazione 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 linsieme dellhardware
  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 lanalisi 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
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Cosè il GIS
Diverse definizioni
Utente
Definizione
Cittadino
Un contenitore di mappe in forma digitale
Pianificatori, decision makers
Uno strumento informatico per risolvere problemi
geografici
Scienziati e ricercatori
Un sistema spaziale di supporto alle decisioni
Investigatori, scienziati
Uno strumento per scoprire informazioni
altrimenti non leggibili in dati spaziali
WWW
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Cosè il GIS
Almost everything that happens, happens
somewhere. Knowing where something happens is
critically important P.Longley (2001)
Il GIS aggiunge informazione allanalisi
statistica (P.Mogorovich).
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Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD)
Cosè il GIS
Cartografia disegnata Cartografia Numerica GIS
N di strati informativi Limitato dalla scala (5-10) Illimitato Illimitato
N di attributi Minimo (1-3) Illimitato Illimitato
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
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Cosè il GIS
Alcune operazioni
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Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD)
Cosè il GIS
Cartografia CTR (Map-Oriented)
Per individuare le strade devo selezionare tutti
i codici che ne delimitano il contorno.
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Object-Oriented (GIS) Map-Oriented (CAD)
Cosè il GIS
Cartografia GeoDB (Object-Oriented)
Adesso posso individuare loggetto 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.
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I tipi di dati
(Vettoriale)
(Raster, TIN)
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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

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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)

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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.
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I tipi di dati - Vettoriale
Dato lineare

• Linee sono insiemi di punti che definiscono il
  proprio shape

One-to-one relation between features in the map
and records in the table.
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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.
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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.

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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
• Eun 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,
  allinterno di una tabella DBMS.
• Feature Dataset Una collezione di simili feature
  classes che condividono lo stesso dominio
  spaziale (spatial reference)

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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
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Il Geodatabase
GeoDB
Feature dataset
Feature class s.a.
Tables
ArcCatalog
Relazioni
Feature class
Domini
Case Tools (UML)
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Il Geodatabase
Workspace
Geodatabase
Feature Dataset
Feature Class
Geometric Network
Relationship
Object Class
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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
  lacquisizione di dati vettoriali
• Per lavorare con dati di tipo raster, ad alto
  livello, servono le estensioni Spatial Analyst e
  3D Analyst

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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

• La misura può riferirsi a

• valore medio che la grandezza assume
  allinterno del pixel

• valore estremo

• valore che la grandezza assume nel centro del
  pixel

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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

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I tipi di immagini raster

• Immagini cartografiche scansione di una carta
  (es. CTR) tramite strumento rasterizzatore

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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)

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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

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I tipi di dati - Raster
La struttura piramidale del raster

• Senza la struttura piramidale, lintero 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

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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

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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 dellangolo 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.

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Il formato raster GRID

• Grid datasets

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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.

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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 dallordine in
  cui i punti sono processati.

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Il formato TIN
Alcuni esempi
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Il formato TIN
Confronto TIN - GRID
  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
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Introduzione ad ArcGIS
Client
Server
ArcPad
Windows, Unix, Linux
Dati
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Dati
Client
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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.

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Introduzione ad ArcGIS
Le estensioni di ArcGIS
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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

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1
4
2
Colpire un bersaglio
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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
lupdate automatico dei metadati
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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 lorigine
• Chi ha processato i dati
• Proiezione
• Sistema di coordinate
• Datum
• Unità di misura
• Scale spaziale
• Definizione degli attributi
• Chi contattare per ulteriori informazioni

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Topologia
Comune B
Comune A
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Topologia

• Modelli di Relazioni Spaziali tra features
• Connettività, Adiacenza, Prossimità
• Tra uno o più feature classes
• Rende migliori i modelli di
• rappresentazione della Realtà

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Topologia

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

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Topologia
COVERAGE Poligonale Label-Points
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Topologia
COVERAGE Lineare (archi)
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Topologia
COVERAGE Topologia arco-poligono
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Topologia
COVERAGE Topologia arco-nodo
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Topologia
COVERAGE - Costruzione topologia

• Esempio Uso del Suolo
• Creazione topologia classica con ArcToolbox
• Build polygon, line, node
• Clean

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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
• ..

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Topologia
COVERAGE - Applicazioni topologia

• Esempio Uso del Suolo
• Elenco dei poligoni adiacenti a ciascun elemento
  della Coverage

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