I GIS (Geographic Information System) sono dei sistemi informativi progettati per operare con dati riferiti allo spazio geografico.
Negli ultimi anni si sono evoluti sistemi per la gestione di basi di dati non tradizionali e uno dei campi in cui c'è stata una maggiore ricerca è proprio quello della gestione dei dati georeferiti.
Un GIS è quindi un sistema che contiene specifiche funzioni per acquisire, gestire, elaborare e restituire dati territoriali.
A volte i GIS vengono confusi con i sistemi di cartografia numerica che hanno le sole funzioni di memorizzare la cartografia in formato digitale e restituirla opportunamente in formato cartaceo; i sistemi informativi territoriali hanno invece finalità ben più ampie, quali: la selezione e la ricerca spaziale, la sovrapposizione automatica di livelli geografici, la generazione di aree di rispetto o di influenza, l'analisi integrata di informazioni georeferite al territorio ed acquisite in modi diversi.
Generalmente un GIS è progettato per contenere dati ed applicazioni in funzione di specifiche esigenze dell'utente, infatti possono essere usati per diverse applicazioni come per esempio:
- In agricoltura i GIS vengono usati per stimare le colture stagionali, generando le carte tematiche digitali della copertura agricola dalle immagini via satellite, elaborando statistiche spaziali in funzione delle aree amministrative e restituendo i dati di previsione ai fini di indirizzare la politiche dei prezzi dei prodotti della terra.
Possono essere usati anche per pianificare gli interventi di risanamento analizzando la capacità reale e l'uso del suolo con tecniche di sovrapposizione automatica delle varie coperture memorizzate nel DataBase geografico.
- Nella protezione civile i GIS possono essere usati per generare coperture di grado di erosione potenziale attraverso la sovrapposizione di dati territoriali relativi agli aspetti geologici, topografici, idrografici, ecc. Possono essere inoltre usati per simulare eventi catastrofici analizzando le aree abitate interessate e prevedendo così il piano di evacuazione della zona.
- Nelle aziende che gestiscono le reti tecnologiche (idriche, elettriche, ecc.) i GIS sono molto utili per pianificare l'estensione di una rete basandosi sul tipo del territorio, sulla sua topologia e sul suo uso.
Inoltre vengono usati per supportare le attività di manutenzione segnalando alle squadre di intervento la precisa dislocazione dei tratti di rete interessati ed i componenti di rete presenti in quel tratto.
Anche in questo campo i GIS possono essere utili per fare delle simulazioni su eventuali guasti e programmare quindi in anticipo gli interventi futuri.
- Nel settore dei trasporti si possono utilizzare i sistemi informativi territoriali per analizzare i percorsi ottimali in funzione di vari dati quali la distanza, il traffico, la pendenza, i limiti di velocità, ecc...
Ultimamente alcune case produttrici di HW hanno progettato strumenti con i quali un mezzo di trasporto può costantemente segnalare la sua posizione geografica al suo centro di gestione ed essere così visualizzato su una mappa gestita da un GIS.
Le applicazioni finora descritte, costituiscono un elenco tutt'altro che esaustivo che ha solo lo scopo di far vedere in quanti campi diversi i GIS sono oggi utilizzati.
Un dato geografico rappresenta un oggetto o una caratteristica del mondo reale.
Sono esempi di dato geografico un isolato, una strada, una temperatura, un fiume, un'area urbana, un livello altimetrico, ecc.
Ad ogni oggetto geografico, possono poi essere associate molte altre informazioni di tipo alfanumerico utilizzando un normale DataBase.
Ogni oggetto di un GIS contiene quindi un'informazione geografica (la sua posizione in coordinate terrestri e la sua estensione) e un'informazione alfanumerica collegata a quella geografica.
Generalmente i diversi GIS hanno una propria gestione del DataBase geografico, mentre per i dati alfanumerici si possono interfacciare con un normale DataBase relazionale.
Spesso i dati di un GIS sono eterogenei tra loro perché provenienti da sorgenti diverse come la cartografia o la telerilevazione.
Questo vuol dire che si possono integrare dati creati con la digitalizzazione di carte geografiche e dati provenienti da immagini da satellite o da immagini radar.
Ci sono inoltre alcuni dati geografici che sono collegati al trascorrere del tempo e che variano con esso; basti pensare al grado di inquinamento di una zona urbana o alla temperatura di una certa posizione geografica o ancora alla densità di popolazione di una città.
Per questi dati nasce tutta una problematica di aggiornamento continuo e di allineamento.
Finora si è cercato di definire un dato georeferenziato, ma non si è ancora parlato di come tale dato sia memorizzato.
Esistono sostanzialmente due tecniche di memorizzazione che ora si vedranno.
I due formati principali con cui si memorizzano i dati in un GIS, sono il formato GRIGLIA ed il formato VETTORIALE.
I dati griglia vengono memorizzati come una matrice di celle, ognuna delle quali copre una porzione di territorio.
Ad ogni cella viene assegnato un valore che rappresenta una certa caratteristica della zona ricoperta dalla cella stessa.
| 1 | 1 | 1 | 2 | 2 |
| 1 | 1 | 1 | 2 | 2 |
| 1 | 1 | 2 | 2 | 2 |
| 1 | 3 | 3 | 1 | 1 |
| 3 | 3 | 3 | 1 | 1 |
| 20 | 20 |
19 |
18 | 18 |
| 19 | 20 | 19 | 18 | 18 |
| 19 | 19 | 19 | 19 | 18 |
| 20 | 20 | 19 | 19 | 19 |
| 20 | 20 | 19 | 19 | 20 |
Tale valore può direttamente rappresentare la caratteristica voluta (come temperature o altimetrie) oppure può essere associato ad una descrizione alfanumerica (come nel caso del tipo di uso del territorio).
Nella figura sopra si vedono due esempi di come può essere un dato griglia.
Il GIS mantiene in memoria questi dati e al momento della loro visualizzazione associa un colore diverso per ogni valore della griglia in modo tale che siano evidenziate le varie differenze tra zona e zona.
Come già detto, il secondo modo in cui un dato geografico può essere memorizzato in un GIS è il formato vettoriale.
In questo caso la caratteristica geografica è mantenuta memorizzata come coppie di punti che ne definiscono la forma poligonale, lineare o puntuale.
Per esempio, oggetti geografici come le strade, possono essere memorizzati in questo modo così come i fiumi o i confini delle regioni.
Ogni poligono o linea aperta, diventa un oggetto unico, indipendentemente dalla propria estensione geografica.
In questo caso si possono associare dati alfanumerici ad un poligono, ad una linea o ad un punto, al fine di descrivere le caratteristiche di un oggetto.
Le coppie di punti che descrivono questi oggetti sono memorizzate in coordinate del mondo reale (per es. UTM) e quando è richiesta la loro visualizzazione, il GIS trasforma tali coordinate in punti del video ridisegnando linea per linea tutte le caratteristiche richieste.
Si veda ora un esempio di dato vettoriale.
Tutti questi dati, sono memorizzati per livelli, cioè se si considerano gli esempi precedenti, supponendo che facciano riferimento tutti alla stessa area geografica, si ha che il GIS memorizza più livelli (layers) differenti per rappresentare diverse caratteristiche della stessa zona.
Una delle funzionalità principali dei GIS è proprio quella di poter operare in modo integrato con livelli diversi.
Infatti è possibile sovrapporre graficamente più layers in modo da poter analizzare o manipolare i dati che i differenti livelli forniscono.
Per riferire un oggetto geografico su una mappa, è necessario avere un metodo di trasformazione tra le coordinate reali dell'ellissoide costituente la Terra (tridimensionale) e le coordinate bidimensionali che si hanno su una carta.
Queste trasformazioni vengono fatte in modi diversi in funzione della zona che si deve trattare e sono dette proiezioni.
Ogni proiezione cerca di rappresentare nel miglior modo possibile la vera conformazione del globo terrestre, cercando di mantenere le caratteristiche geografiche reali come ad esempio le distanze.
Le proiezioni cercano quindi di stabilire quale rappresentazione dare ad un ellissoide su un piano.
Non esiste però una proiezione che risulti adatta a tutta la superficie terrestre, infatti, a causa della forma ellissoidale del Globo, le approssimazioni valide in una certa zona, non lo sono più per un'altra.
É questo il motivo per cui sono nati molti tipi di proiezioni ognuna adattabile ad una certa zona della superficie terrestre.
Una delle proiezioni più usate è quella detta Transverse Mercator che approssima bene quasi tutte le zone della Terra tranne quelle prossime ai poli.
Tale sistema di proiezione viene solitamente utilizzato per rappresentare aree geografiche di ristrette dimensioni.
Ogni metodo di proiezione, usa un sistema di coordinate per indicare un qualsiasi punto sul piano.
Nella proiezione Transverse Mercator vengono preferiti sistemi di coordinate rettangolari piuttosto che sferici (come il sistema latitudine-longitudine).
I sistemi di coordinate rettangolari, sono basati su metodi di misurazione decimale che rendono l'area rappresentata, simile ad una griglia di un piano cartesiano.
In questo modo i calcoli delle distanze, delle aree, dei perimetri, etc..., risultano più semplici rispetto a calcoli effettuati utilizzando gradi, primi e secondi.
Un sistema di coordinate rettangolari molto diffuso e che si appoggia sulle mappe create con la proiezione Transverse Mercator, è il sistema UTM (Universal Transverse Mercator System).
Tale sistema è adatto a tutta la superficie terrestre compresa tra gli 80 gradi nord e gli 80 gradi sud di latitudine.
Esso divide la Terra in quadrilateri larghi 6 gradi (longitudine) e alti 8 (latitudine) i quali formano una griglia di celle ognuna identificata da un numero diverso.
Questi quadrilateri sono chiamati zone e al loro interno sono ancora suddivisibili in una fitta griglia di righe e colonne UTM ognuna delle quali dista un metro terrestre dalla successiva.
I sistemi informativi geografici sono composti da due classi di funzionalità: la prima comprende operazioni comuni a tutti i GIS, mentre la seconda quelle specifiche per il particolare sistema GIS.
L'approfondimento verrà fatto sulle operazioni comprese nella prima classe, in quanto la seconda richiederebbe un'analisi troppo specifica dei vari GIS esistenti.
Le operazioni comuni ai vari GIS, sono a loro volta raggruppabili in tre sottoclassi:
1. visualizzazione mappe
2. selezione di oggetti geografici da una mappa
3. elaborazione di operazioni spaziali con più oggetti geografici come operandi
4. analisi di reti e simulazioni
Nei tre paragrafi seguenti verranno descritte in dettaglio queste sottoclassi.
La visualizzazione di ciò che è memorizzato nel DataBase di un sistema GIS, può sembrare un'operazione semplice, in realtà si deve seguire un numero di passi piuttosto complessi come per esempio il tipo di proiezione che si vuole adottare, quali livelli mostrare, quale scala utilizzare, etc...
Una delle operazioni fondamentali nella visualizzazione è la possibilità di effettuare lo zoom-in per osservare più da vicino gli oggetti geografici: in questo caso non viene solo ingrandito l'oggetto ma vengono disegnati ulteriori dettagli della mappa; l'operazione inversa è lo zoom-out nel quale alcuni dettagli vengono rimossi.
Un'altra operazione di visualizzazione è ottenere mappe diverse partendo da un'unica mappa memorizzata nel DataBase; per esempio da un livello descrittivo dell'uso del territorio si può visualizzare una cartina rappresentante il solo uso agricolo condizionato dalla presenza di un elevato fattore di inquinamento.
C'è una forte relazione tra le operazioni di visualizzazione e di selezione in quanto gli oggetti selezionabili sono quelli già visualizzati che devono essere successivamente evidenziati sullo schermo.
In un sistema informativo geografico, le operazioni di selezione (interrogazioni) possono essere un ibrido tra query classiche di un DBMS relazionale e interrogazioni geospaziali.
I criteri di selezione possono essere anche basati su relazioni topologiche e su calcoli geometrici (perimetri, aree, distanze fra oggetti, ecc....), come per esempio "selezionare tutti gli appezzamenti con una superficie maggiore di due ettari" oppure "selezionare tutti i comuni adiacenti a quelli di Torino".
Quindi ci sono sostanzialmente due tipi di interrogazioni spaziali: quelle basate su proprietà di un oggetto e quelle basate su proprietà topologiche.
Le interrogazioni che trattano coordinate, aree, lunghezze e altre misurazioni sono geospaziali, mentre quelle basate sulla localizzazione di entità geografiche sono topologiche.
Questa sottoclasse di operazioni contiene calcoli geometrici di interesse generale come distanza, circonferenza e area che sono sfruttate dalle funzionalità di visualizzazione e selezione.
Tali operazioni, infatti, sono strettamente legate a quelle descritte in precedenza, in quanto forniscono la base su cui il sistema GIS si appoggia per realizzare i risultati delle query.
Per esempio l'area di un poligono è realizzata per convertire dati assoluti (come per esempio il numero di abitanti di una regione) in dati relativi (densità di popolazione nella regione).
Un altro esempio è il calcolo del baricentro di un poligono che viene utilizzato per posizionare la label descrittiva dell'oggetto.
Per i livelli che rappresentano topologie di rete ci sono molte operazioni di analisi effettuabili su di essi.
Eccone alcuni esempi:
"cammino minimo": Calcola la strada più breve tra un'origine e una destinazione non considerando la lunghezza del percorso, ma valutando tra i vari cammini possibili quello con costo minore.
Il costo è calcolato basandosi sul peso associato ad ogni arco della rete (la lunghezza del percorso diventa uno dei possibili costi valutati).
"posizionamento di centri di servizio": Determina la miglior posizione di un centro di servizio, come per esempio un ufficio postale o la fermata di un bus, minimizzando la distanza media tra esso e le abitazioni coinvolte dallo studio.
Talvolta la risoluzione di questi problemi coinvolge vaste aree e numerose variabili, per cui i tempi di elaborazione potrebbero risultare elevati.
L'analisi delle reti può essere utilizzata nella realizzazione di modelli per la simulazione di particolari situazioni ambientali.
Nella simulazione gli aspetti temporali e i modelli di probabilità giocano un ruolo importante: per esempio come simulazione si può studiare il piano di evacuazione di un'area a causa di una alluvione o di una fuga di gas dalle tubature.
Esistono in circolazione più sistemi informativi geografici, alcuni di utilità generale e altri destinati per scopi specifici.
Tra questi GIS, i più diffusi sono: Arc/Info e ArcView della ESRI e GRASS che è nato in ambiente militare ed è distribuito liberamente.
Nei due paragrafi successivi verranno descritti brevemente.
Arc/Info è un GIS prodotto dalla ESRI ed è forse lo strumento di gestione dei dati geografici più completo.
Esso è un potente prodotto software contenente centinaia di funzioni che possono essere applicate ai dati spaziali e a quelli alfanumerici associati. Tale GIS è fornito di un suo DataBase relazionale (Info) per la memorizzazione degli attributi collegati ai vari oggetti geografici, ma supporta anche il collegamento con i più diffusi DataBase: Oracle, Ingress, Sybase, ecc.
I dati spaziali sono memorizzabili sia vettorialmente che in modalità grid (griglia) e possono essere integrati, per esempio, con dati territoriali di altri GIS o con file vettoriali di AutoCad.
Arc/Info supporta anche un linguaggio di programmazione detto AML che permette di creare script adatti a far eseguire un certo insieme di funzioni al GIS senza dover ogni volta ripetere manualmente la loro chiamata.
I problemi che si possono riscontrare sono dovuti in gran parte alla mole del software e al suo costo, infatti Arc/Info è supportato solo da workstation UNIX e una sua licenza costa alcune decine di milioni.
Per ovviare a questo, la ESRI ha creato molti altri programmi di gestione della cartografia (come Arc/View o Arc/Info PC) che hanno però un ristretto insieme di funzionalità rispetto a quelle offerte da Arc/Info.
Un altro problema al quale si sta cercando di ovviare, è la gestione della quantità dei dati geografici; infatti con il passare del tempo la mole di informazioni geografiche che tale GIS ha dovuto gestire, è diventata sempre maggiore con la conseguenza che alcune funzioni operanti sui dati sono diventate troppo lente nella loro esecuzione.
La soluzione con cui la ESRI affronta la risoluzione di tale problema, è la creazione di un nuovo motore per DataBase (SDE) che gestisce i dati geografici e alfanumerici in modo diverso da prima cercando di migliorare l'efficienza nel reperire tali dati.
SDE non è quindi un DataBase, ma solo uno strumento che sta al di sopra del DBMS e che indica ad esso il modo di creare le tabelle rappresentanti gli oggetti spaziali e le relative informazioni.
La tecnica è quella di utilizzare tabelle relazionali molto grandi, contenenti tutti i dati rappresentanti un oggetto geografico, senza dover così eseguire molti join tra le diverse tabelle come invece avveniva precedentemente.
Il rovescio della medaglia è un'enorme occupazione di memoria con ridondanza di dati, anche se questo inconveniente può essere trascurato grazie all'abbassarsi del costo della memoria che c'è stato negli ultimi anni. Inoltre, con SDE si è anche cercato di dare un formato standard a tutti i dati usati dai vari prodotti cartografici ESRI, in modo da facilitare la condivisione dei dati geografici provenienti da GIS eterogenei.
Inizialmente SDE era in grado di interagire con Oracle, e l'obiettivo sarà quello di estenderlo ai più importanti DBMS.
E' diventato, con il passare delle release, un GIS vero e proprio con potenti funzionalità di elaborazione dati, soprattutto grazie alle sue estensioni che permettono di arricchire il GIS a seconda dello scopo per cui lo si utilizza.
Anche ArcView ha un suo linguaggio di programmazione chiamato AVENUE (con paradigma object oriented) che permette agli utenti più esperti di creare le proprie funzionalità GIS.
Esistono anche molti siti di distribuzione di tali programmi che aiutano ad aumentare la potenza di ArcView (la stessa ESRI ha una parte di sito Internet dedicata a tale scopo).
Questo GIS è stato creato come visualizzatore di dati cartografici, ma con il passare del tempo ha preso in parte il posto di Arc/Info grazie alla sua interfaccia amichevole (stile Windows) e al suo prezzo più contenuto.
Alcune estensioni che questo GIS può avere sono:
-ArcView Internet Map Server: per la consultazione ed elaborazione grafica dei dati territoriali via web.
-ArcView Spatial Analist: per l'elaborazione di dati su ambiti spaziali.
-ArcView 3-D: per la creazione e consultazione di viste cartografiche in formato 3-D.
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ArcView legge ed elabora i dati territoriali nel formato ESRI (copertura, dati SDE, raster), ma ha anche un suo formato più leggere chiamato SHAPE che permette di convertire un layers in tre file contenenti le geometrie e i dati alfanumerici associati.
Per esempio i tre files di base del dato territoriale “strade” in formato SHAPE, potrebbero essere:
strade.shp
strade.shx
strade.dbf (il formato dati di dBase)
Da qualche tempo, la ESRI ha iniziato una nuova politica di distribuzione dei propri GIS, e cioè ha creato una serie di librerie da utilizzare attraverso i più diffusi ambienti di programmazione per Windows (Visual Basic, Visual C++) in modo tale da permettere ai programmatori di crearsi i propri piccoli GIS adatti a determinati scopi.
Un esempio è ArcExplorer, distribuito gratuitamente da ESRI e completamente costruito in VisualBasic utilizzando le librerie di MapObject.
Esiste anche l'estensione di MapObject per permettere di distribuire i dati da un programma VisualBasic al mondo Internet, attraverso l'utilizzo dei maggiori web server (Netscape Enterprise Server, Personal Web Server, Internet Information Server, Netscape FastTrack)
Un altro GIS molto diffuso è il Geographic Resources Analysis Support System (GRASS) progettato e sviluppato dai ricercatori del U.S.Army Construction Engineering Research Laboratory (USACERL); la versione a cui è stato fatto riferimento è la 4.1.
Fin dalla prima versione, GRASS ha incontrato il consenso di un elevato numero di utenti, che con il passare del tempo è cresciuto rapidamente.
Il motivo di tale successo si deve soprattutto al fatto che esso sia distribuito come freeware comprensivo di codici sorgenti; infatti i vari files con cui GRASS è stato scritto vengono forniti gratuitamente insieme ai makefile di compilazione.
Tali codici sono scritti in linguaggio C e sono associati ad un manuale che descrive dettagliatamente il funzionamento di tutte le funzioni in C usate per creare GRASS.
Questo permette agli utenti di compilare GRASS per la propria macchina e anche di modificare alcune parti del sorgente per adattarle alle proprie esigenze.
Inoltre i ricercatori di USACERL possono continuamente distribuire nuove versioni di GRASS avvalendosi anche delle nuove funzioni che i vari utenti del mondo creano.
Come la maggior parte dei GIS, anche GRASS è in grado di lavorare con dati spaziali in formato raster o vettoriale che sono adattabili ai formati di Arc/Info (anche se c'è ancora qualche problema nelle funzioni di conversione tra i due GIS).
Nonostante sia un GIS di pubblico dominio, non ha nulla da invidiare alle funzionalità offerte da altri sistemi informativi territoriali.
Questo è dimostrato dal fatto che è usato in molti centri di rilevante importanza come Università o ministeri governativi sparsi per il mondo.
Una differenza sostanziale tra GRASS e Arc/Info è che il primo non ha un suo DataBase associato per la gestione dei dati alfanumerici, mentre il secondo lo possiede (INFO).
Tale mancanza però non ne pregiudica l'uso, infatti nelle versioni più recenti sono state create funzioni che consentono di far lavorare GRASS con i DataBase più diffusi, mentre per le versioni più datate, risulta comunque abbastanza semplice modificare il codice sorgente di alcune funzioni in modo tale da poter interfacciare il GIS con una base di dati relazionale.
Il primo approccio con tale GIS, non è difficoltoso, infatti esistono manuali "freeware" sia per i programmatori che vogliono manipolare il codice sorgente di GRASS, sia per gli utenti finali dello strumento; esistono inoltre delle mailing list e dei siti WWW su cui un utente può avvalersi per risolvere un qualunque problema relativo a GRASS.
Una sua importante caratteristica è dovuta alla possibilità di poterlo usare a più livelli: si può usare ad un livello superficiale, ad un livello di funzionalità più approfondite ed a un livello di programmazione.
Per livello superficiale si intende la consultazione delle informazioni geografiche, a livello di funzionalità si ha la possibilità di manipolare gli oggetti geografici (aggiunta o modifica) e come livello di programmazione si possono costruire nuove funzionalità o modificarne di già esistenti.
