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Università degli Studi di Firenze – Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Corso di Laurea in Scienze Geologiche Insegnamento di “GIS e ulteriori abilità informatiche”
Geographic Information Systems e ulteriori abilità informatiche
Filippo Catani Dipartimento di Scienze della Terra – Via La Pira, 4 50121 Firenze Tel. 055 2756223 – Fax. 055 2756296 email: filippo.catani@unifi.it
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PROGRAMMA DEL CORSO Sistemi informativi territoriali (Geographic Information Systems - GIS), introduzione generale e caratteristiche, modelli di rappresentazione dei dati geografici (modello vettoriale e modello discreto), modelli di rappresentazione dei dati descrittivi (databases e modello entità-relazione), analisi funzionale dei GIS. Analisi dell’informazione geografica (G.I.A.). Concetti generali, analisi di entità puntuali, lineari, areali. Analisi di campi di variazioe discreta e continua. Basi di cartografia e sistemi di riferimento. Progettazione e costruzione di archivi GIS per cartografia tematica, elaborazione vettoriale dei dati, elaborazione raster dei dati. Elaborazione grafica e stampa degli elaborati cartografici. Analisi di dati geologici con l’ausilio dei GIS, tecniche di integrazione di dati multimediali, applicazione dei GIS alle problematiche geologiche di base. Esercitazioni su esempi reali. Corso basato su lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio informatico. Esame: prova scritta (più eventuale prova pratica)
Filippo Catani Dipartimento di Scienze della Terra – Via La Pira, 4 50121 Firenze Tel. 055 2756223 – Fax. 055 2756296 email: filippo.catani@geo.unifi.it
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Scopo della lezione • Introdurre l’utilizzo operativo dei G.I.S. in tutte le fasi della conoscenza e gestione del territorio nel quadro dell’analisi dei rischi geologico-ambientali • A questo scopo ci soffermeremo su: • Definizione ed analisi generale dei GIS come strumenti di nuova tecnologia • Esempi applicativi nell’ambito della geologia e geomorfologia applicate, dell’analisi dei rischi e della protezione civile • Possibilità reali di utilizzo dei GIS da parte di tutti, problemi attuali e possibili soluzioni
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Componenti generiche di un sistema G.I.S. Concetti e Metodi di Analisi delle Informazioni Geografiche Risorse Umane
Software
G.I.A. Scambio e Aggiornamento Dati
G.I.S.
HTML o altri Dati
Internet
Hardware
Dati descrittivi o alfanumerici
Dati geografici e spaziali
Immagini, filmati ed altri dati
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Differenze rispetto ad altri sistemi •
CAD e disegno: non hanno la gestione integrata delle coordinate cartografiche, il concetto di topologia, la gestione integrata di un database relazionale, funzioni territoriali specifiche
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Programmi per Cartografia: a volte non posseggono topologia, spesso non hanno database alfanumerico, possibilità di multimediali e di connessione a Internet per condivisione dati
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Databases Relazionali: non hanno nessuna capacità grafica, tanto meno quelle connesse alla posizione geografica degli oggetti sulla superficie terrestre.
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Modello Vettoriale Geo-Relazionale Primitive di rappresentazione
Poligoni (es. formazioni geologiche)
Archi (es. fiumi, faglie)
Punti (es. pozzi, campioni)
TOPOLOGIA Relazioni geometriche tra gli oggetti nello spazio geografico (es. contenimento, adiacenza, connessione, sovrapposizione etc.)
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Rappresentazione della Geometria Le primitive vettoriali vengono rappresentate dal punto di vista geometrico tramite tabelle che ne elencano i vertici. I punti hanno dimensione nulla e sono raprpesentati da un’unica coppia di coordinate x,y Gli archi (o linee) hanno invece un numero di vertici n>1. Per ogni vertice viene memorizzata una coppia x,y I poligoni infine hanno numero di vertici n>2 e nella lista delle coordinate possono (chiusura esplicita) o meno (chiusura implicita) avere un vertice ripetuto In molti sistemi GIS la coordinata z viene memorizzata come attributo dell’oggetto e non come attributo del singolo vertice. Questo vuol dire che una vera rappresentazione 3D non è possibile. Altri sistemi prevedono la coordinata z in modo esplicito nella geometria dei vertici ma non utilizzano la terza dimensione per l’applicazione delle operazioni di geoprocessing (ad es.: incrocio, somma, sottrazione, unione di poligoni)
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Topologia Arco-Nodo Memorizza tramite tabelle geo-relazionali le connessioni tra archi. Ogni arco ha due nodi (inizio e fine), un senso di percorrenza, n vertici (che ne definiscono la geometria). La tabella arco-nodo elenca, per ogni arco, il nodo di inizio (from-node) e quello di fine (to-node). In questo modo per il sistema la ricerca di connessioni tra archi diviene un semplice problema di ricerca in tabella, invece di un problema di geometria analitica (ad es. risoluzione di sistemi di equazioni per la ricerca del punto di intersezione). Per verificare se un arco a qualsiasi è connesso direttamente con un altro arco b è sufficiente controllare nella tabella se tra di essi c’è un nodo in comune.
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Topologia Poligono-Arco Memorizza tramite tabelle geo-relazionali le relazioni tra poligoni e archi che li compongono. In questo modo definisce i poligoni stessi evitando per esempio che i confini siano memorizzato due volte (una per ogni poligono di appartenenza). Nella tabella, per ogni poligono, vengono memorizzati tutti gli archi che lo compongono. Due pligoni sono adiacenti se hanno un arco in comune. Isole (poligoni entro altri poligoni) possono venir rappresentate indicando un codice particolare all’interno dell’elenco archi del poligono “contenitore” (ad es. uno zero che precede l’elenco degli archi isola) e riportando nella lista del poligono isola stesso un solo arco. Nella figura il poligono E è un isola (composta dal solo arco 7) all’interno del poligono F.
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Topologia Destra-Sinistra Memorizza tramite tabelle geo-relazionali le relazioni tra archi e poligoni. In questo modo definisce i rapporti tra archi e tra archi e poligoni in base al senso di percorrenza. Per ogni arco è possibile conoscere quali sono i poligoni che definisce e quali altri archi gli sono connessi nel senso di percorrenza del vettore. Se due archi hanno poligoni in comune nella lista vuol dire che sono direttamente o indirettamente connessi. Ad es. nella figura gli archi 3, 4, 5 e 10 costituiscono un cammino che definisce anche il poligono D.
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Modello Raster (o discreto) CELLE PIÙ PICCOLE -> MAGGIORE RISOLUZIONE -> MAGGIORE OCCUPAZIONE DI MEMORIA
Conversione Vettoriale -> Raster
Un raster a celle rettangolari, comunemente chiamato anche grid, è contraddistinto dalla seguenti proprietà fondamentali: • • • • • •
Dimensione della cella (o risoluzione) Coordinate x,y di uno dei vertici del raster Numero di colonne Numero di righe Tipologia dei valori associati ad ogni cella Valore corrispondente a no-data (mancanza di informazione)
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Dati descrittivi delle entità (database relazionale non geografico) Ogni entità vettoriale, ma anche più in generale ogni entità qualsiasi in in GIS, può avere informazioni associate che non hanno una intrinseca posizione geografica. Ad es. i dati anagrafici dei proprietari delle particelle catastali nella figura. Ed anche i proprietari stessi. Per i dati connessi alle entità geografiche si utilizzano tabelle di database relazionali, nelle quali possono essere implementate strutture dati molto complesse. Ad esempio per ogni particella di possono essere più proprietari ma anche ogni persona può essere proprietaria di più particelle. I data base relazionali si basano su regole molto precise quali quelle dei livelli di normalizzazione e quelle di Codd.
COD
X
004
125.5
340.7
005
104.4
299.0
Y 004
235 005
237 236
N°
Proprietario
236
Rossi Paolo
237
Bianchi Anna
238
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Esempio di relazione 1-n tra tabelle Esempio di relazione uno--a-molti tra uno codice litologico e legenda: per ogni formazione in legenda ci sono da 1 a n poligoni nei quali la formazione affiora La relazione è risolta collegando la tabella poligoni con la tabella formazioni tramite un campo in comune (nell’esempio quello chiamato dxfdxf-layer) che sia univoco e chiave per la seconda tabella
Tabella Poligoni Area 361,351,570.67 732,572.86 154,740.09 70,704,501.01 597,734.01 963,721.08 446,360.10
Perimetro 327,062.64 22,726.83 1,910.10 208,684.93 5,784.44 4,442.87 3,754.67
Cover# 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00
Cover-id 29.00 429.00 340.00 430.00 359.00 431.00 1,073.00
Dxf-layer 14 4 4 4 14 11 11
n
Tabella Formazioni
1
Campo chiave o indice (univoco nella tabella)
Dxf-layer 18 17 15 14 13 11 10
Sigla pF mn maM maA mPL p.p, mV p.p., al cP, cC
Denominazione arenarie calcaree e a arenarie e marne marne con arenarie arenarie con marne marne calcari marnosi calcari della serie ofi
Litotecnica 2 2 2 2 2 2 2
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Domande tipiche per un GIS • • • • • • •
Quanti pozzi ho all’interno di questa particolare litologia? Qual è il percorso idraulico più breve da un lago artificiale al fondovalle in caso di rottura della diga? Che particelle catastali sono coinvolte nella costruzione di una nuova strada? E chi sono i relativi proprietari? Come posso realizzare una carta inventario delle frane che comprenda anche informazioni classificative dettagliate sul fenomeno? Come posso creare automaticamente fasce di rispetto relative a fiumi, pozzi o altri oggetti? Come posso realizzare carte della probabilità di amplificazione sismica per effetti topografici? etc.
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Esempi di carte tematiche e applicazione di GIS
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Esempi di rappresentazione dell’orografia
Curve di livello (rappresentazione vettoriale)
DTM con pixel 25 m (rappresentazione raster)
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Esempi di rappresentazione dell’orografia
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Esempi di carte tematiche: geologia I
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Esempi di carte tematiche: geologia II
Legenda A1 A2 C1 C2 C3 C4 C5 S1 S2 SUBSTRATO T1 T2 T3
N W
2
0
2
4 km
E S
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Esempi di carte tematiche: geologia – vista prospettica 3D
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Esempi di carte tematiche: geomorfologia
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Esempi di carte tematiche: pericolosità idrogeologica
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Esempi di carte tematiche derivate: carta delle pendenze
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Esempi di carte tematiche derivate: carta della orientazione dei versanti
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Esempi di carte tematiche derivate: carta della accumulazione di flusso
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Esempi di applicazione di modelli da GIS: analisi di stabilità di frana (modello di Montgomery & Dietrich, 1994) Determinazione speditiva delle variabili direttamente da dati GIS DTM = modello digitale del terreno da cui derivano pendenza θ e area drenata a. Le restanti variabili di natura geologica possono essere comunque estratte dalle tabelle GIS relative alla geologia, al clima etc. L’analisi di stabilità viene applicata pixel per pixel calcolando l’equazione in modo distribuito distribuito.. Anche lo spessore del suolo può essere interpolato utilizzando modelli opportuni basati sulle caratteristiche topografiche e geologiche, ancora una volta attraverso gli strumenti GIS.
dal DTM
a ⎡ c' γ ⎛ tan θ ⎞⎤ T ⎟⎟⎥ senθ ≥⎢ + ⎜⎜1 − 2 b ⎣ γz cos θ tan φ γ w ⎝ tan φ ⎠⎦ q
dalla Geologia
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Esempi di applicazione di modelli da GIS: analisi di stabilità di frana II (modello di Montgomery & Dietrich, 1994) a ⎡ c' γ ⎛ tan θ ⎞⎤ T ⎟⎥ senθ ⎜1 − ≥⎢ + b ⎣ γz cos 2 θ tan φ γ w ⎜⎝ tan φ ⎟⎠⎦ q
Instabile Condiz. Instabile Condizion. Stabile Stabile
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Esempi di dati derivati: carta della curvatura dei versanti Da mappe della curvatura dei versanti possono essere individuate zone con: • accelerazioni e decelerazioni del flusso • convergenza e divergenza del flusso • creste e orli di terrazzo o altre caratteristiche topografiche tali da poter generare effetti di amplificazione sismica