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CARTOGRAFIA NUMERICA E GIS

By Francis Palmer,2014-12-12 13:57
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CARTOGRAFIA NUMERICA E GIS

CARTOGRAFIA NUMERICA E GIS

    La cartografia rappresenta la superficie terrestre su un piano bidimensionale. La cartografia numerica associa alla cartografia, delle banche dati; infatti le coordinate vengono memorizzate al computer ed è possibile leggerle in maniera automatica passandoci sopra con il mouse. I formati digitali della cartografia numerica sono 2: a) raster, immagine tipica della fotografia formata da tanti pixel; b) formato vector tipico del disegno elettronico formato da punti, linee e poligoni.

IL RASTER è composto da due blocchi: un header (contenente le informazioni sul file e le dimensioni

     n di righe e n di colonne della matrice), e una matrice dati numerica in cui ad ogni elemento è

    associato un colore (informazione radiometrica) + la posizione del pixel stesso (informazione geometrica). Il fenomeno radiometrico può essere suddiviso nei seguenti tipi : bianco o nero (binario 0 o 1, un bit), tonalità di grigio (8 bit 256 possibilità), Color Index (256 colori standard 8 bit), True 3 combinazione di rosso verde e blu 16,777 colori). La risoluzione geometrica è data dal Color (256

    numero di punti (dots) per pollice., quella radiometrica (4 tipi) è il dettaglio del colore e quindi il 2numero di bit necessari per esso. Per una discreta scansione sono sufficienti 400 dpi. N = (RIS x bytes

    N x S ) / 8 S = superficie dell‟area da scansire in pollici quadri. È possibile compattare un file raster bit

    semplificando una sequenza lunga di valori uguali.

    ES BBBBNNNN = 4B4N.

    Per passare dal supporto cartaceo al supporto digitale usiamo lo scanner (in genere vanno dal formato UNI A4 all‟ UNI A0) che crea un file raster . Per avere una buona scansione, abbiamo bisogno di una risoluzione geometrica a 400 dpi, ma se successivamente vogliamo inserirci degli elementi vettoriali allora è sufficiente una scansione a 300 dpi. Come strumenti per la scansione abbiamo lo scanner

    manuale (handy-scan), quello piano, e a tamburo rotante. La risoluzione è proporzionale al quadrato della grandezza del file. I formati per il tipo raster sono TIFF, BMP, GIF, TGA. Quello manuale è inadatto per la cartografia per la scarsa risoluzione e limitate dimensioni di scansione. In quello a tamburo rotante (la cui risoluzione va oltre l‟UNI A0) viene fatto scorrere il documento per mezzo di

    rotelle mentre la barra dei sensori rimane fissa. Arriva fino a 1200 dpi. Gli scanner piani hanno una

    superficie di appoggio generalmente di vetro su cui si appoggia il documento da scansire che rimane fisso mentre su di esso scorre la barra dei sensori. I CCD sono responsabili della risoluzione lungo l‟asse X mentre la risoluzione lungo l‟asse Y è determinata dal movimento meccanico della fonte luminosa. Una buona risoluzione per uno scanner di piccolo formato è 600(x)*1400(y) ma si può arrivare a 4096. I formati come sempre vanno dall‟UNIA4 all‟UNIA0.

Errori di SCANSIONE del Raster: la scansione potrebbe provocare delle piccole deformazioni, in

    quanto è pur sempre una fotocopia digitale; si possono riscontrare tre tipologie di errore: l‟errore di

    origine, relativo alla fonte cartacea e si divide in 1) errore di graficismo, dovuto allo spessore del tratto

    della linea che si stima di 0,2 mm. Quest‟errore aumenta con le carte a piccola scala, infatti 0,2 deve essere moltiplicato per il valore della scala in cui è riportato in quanto è direttamente proporzionale ad esso. Poi c‟è 2) l’errore di parametratura dovuto al reticolato geografico e quindi ad un errore di scala.

    Poi abbiamo le 3) deformazioni anisotrope (non omogenee) del supporto cartaceo per dilatazione o

    contrazione del foglio a seconda che si trovi in un luogo troppo umido o troppo secco. Poi ci sono gli errori umani nella scansione piana in quanto l‟uomo potrebbe sbagliare a posizionare la carta. Poi ci

    sono gli errori strumentali nel caso dello scanner a tamburo rotante in cui si ha un allungamento dl foglio nel momento in cui esso passa nel rullo per essere trascinato e letto. In ogni caso la somma di tutti gli errori deve essere minore di 0,2 mm per essere accettabile. In una carta cmq verranno rappresentati elementi che abbiano in quella scala, dimensioni maggiori o uguali all‟errore di graficismo. Si parla inoltre di ris. Geometrica reale (in base alla disposizione e dimensione dei CCD) e Ris. Interpolata (aumentata con l‟introduzione di pixel con valori interpolati con le cellette vicine).

IL VECTOR viene realizzato tramite il digimetro (UNIA4 all‟UNIA0) ovvero un tavolo da disegno

    collegato al PC. È costituito di 3 elementi fondamentali: superficie piana (in cui è inserito un reticolo elettromagnetico formato da conduttori elettrici), un cursore (assolve la funzione di puntamento e

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    acquisizione dei dati che vogliamo rilevare grazie ad un solenoide che interagisce con il campo elettromagnetico e rileva il segnale presente ad ogni intersezione del reticolo), un‟interfaccia di

    collegamento con il pc che trasforma in digitale il segnale ricevuto dal cursore ed invia lo stesso al pc come coppia di coordinate. Per il formato A4 e A3 viene definito tavoletta digitalizzatrice. La risoluzione del digimetro è data dalla distanza intercorrente tra i conduttori. Es: 0,1 0,0254 mm.

    Abbiamo 4 modalità operative: point mode (ogni qualvolta si preme un tasto), run mode (trasmette

    punti in continuazione a frequenza prefissata), track mode (punti in continuo quando si tiene premuto il

    tasto), line mode (in continuo). Quando si lavora in continuo si può utilizzare una sorta di penna che è più agevole ma meno precisa. Poi infine abbiamo lo snapping, una sorta di griglia con passo selezionabile dove alla fine tutti i punti vengono ricondotti.

    Abbiamo un cursore che scorre sul foglio e ne restituisce le coordinate centimetriche riferite ad un piano cartesiano, quindi avremo delle nuove coordinate digitali. Il formato vector è un file di punti con estensione DGM, DXF e DUG. Il formato vettoriale è costituito da primitive geometriche semplici (punti ovvero coppie di coordinate - e linee insieme ordinato di punti -) e complesse. Esso è

    caratterizzato da un codice identificativo per ogni tipo di attributo per poi fare successivamente ricerche

    per estrarre solo le informazioni che ci interessano (curve livello, strade, fiumi…). Questi attributi

    possono essere di vari tipi : metrici (riguardano le dimensioni delle primitive, tipo lunghezza linea, superficie poligono….), grafici (es: spessore e colore linea), descrittivi (ulteriori informazioni dell‟area es: pavimentazione, uso...), complessi (ulteriori info tipo quelli descrittivi ma + complessi tipo suoni o immagini ulteriori). Il modello geometrico per un vector puo‟ essere: 1) struttura a record di lunghezza

    variabile (quando nello stesso file troviamo tutto) oppure 2) struttura a due file più idoneo dove c‟è un

    file descrittivo (ogni entità è descritta da un record a + campi) e uno di coordinate (codice punto long, lat, quota).

    Errori di scansione per il formato vettoriale.Gli errori di digitalizzazione sono di tre tipi. Gli errori

    di origine che sono gli stessi dello scanner piano (graficismo, parametratura, deformazione anisotrope), poi ci sono: Errori strumentali dovuti alla precisione del digimetro, anomalie della superficie del tavolo, anomalie nella spaziatura del grigliato dei conduttori, cattiva collimazione dovuta allo spessore dell‟elemento di puntamento, errore di parallasse perché tra il vetro in cui è inciso il crocicchio non

    poggia direttamente sul punto da collimare; gli errori umani sono dovuti alla precisione della mano

    nel posizionare il foglio e alla collimazione dei punti.

    Riproduzione su carta della cartografia numerica. Per i file vettoriali si possono utilizzare i plotter

    a penna (che sono di 2 tipi: plotter piano e a rullo) e i plotter a getto d‟inchiostro.

    Plotter piano: semplice tavolo sul quale viene appoggiato e fissato il supporto da disegno. Vi è la combinazione di due movimenti. Uno secondo y grazie ad un braccio orizzontale e l‟altro secondo x

    reso possibile dallo scorrere dell‟equipaggiamento di scrittura (solitamente 4 penne) . L‟entità dello spostamento + piccolo consentito rappresenta la risoluzione dello strumento.

    Plotter a rullo o tamburo: il supporto di disegno è costituito da un rotolo continuo di altezza pari a quella del formato dello strumento (es. A0) e lunghezze considerevoli (es. 50m). Supporta fino a 8 penne (può utilizzare biro, pennarelli, matite…). Non sono così precisi come quelli piani, il

    trascinamento della carta può dare origine a slittamenti.

    Plotter a getto d‟inchiostro. Spesso si preferiscono questi perché consentono di riprodurre file sia di tipo raster che vettoriale e con elevata velocità e buone risoluzioni (720 x 720), costi contenuti. Il funzionamento si basa su un tamburo rotante che consente lo scorrere di un supporto nella direzione X e un equipaggiamento mobile costituito da 4 ugelli (collegati alle cartucce di nero + 3 colori fondamentali) secondo Y.

DIFFERENZE TRA I DUE FORMATI

    VECTOR : difficilmente riproducibile (laborioso lavoro) + leggero (1/8 di un raster), facilmente aggiornabile, strutturazione a livelli + agevole.

    RASTER : facilmente riproducibile con uno scanner, molto spazio per l‟archiviazione. Consente di

    riprodurre fedelmente un documento (prodotti visivamente coincidenti alle origini). Gli oggetti nel

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    raster nn sono interpretati in quanto tali, ma come cellette di una matrice, a meno che non si utilizzino programmi complessi. Oggi si tende all‟integrazione dei due modelli.

CARTOGRAFIA TRADIZIONALE E VECTOR

    Una carta tradizionale contiene un disegno del territorio organizzato in tavole, completato con cornici e parametratura, in particolare 2 categorie di info: planimetria (rappresentazione sul piano dei particolari del terreno) e l‟altimetria (attraverso punti quotati e curve di livello può essere anche assente

    rendendo la carta semplicemente planimetrica).

    La Precisione deve essere uniforme e inferiore ad una tolleranza predefinita.

    La cartografia italiana è prodotta dall‟Istituto Geografico Italiano, dall‟Istituto Idrografico della Marina, dal centro di informazioni Geotopografiche dell‟Aeronautica, dal Catasto.

    Le regioni lavorano in scala da 1:5.000 a 10.000, i Comuni da 1:500 a 2.000.

    Informazioni contenute in una carta:

    Planimetria : rappr. Sul piano di particolari naturali e artificiali

    Altimetria : punti quotati, curve di livello.

    reticolo ortogonale di rette equidistanti Parametratura :

    Cornice (bordo della carta)

    Legenda

    Le info metriche devono essere conformi alle tolleranze, ovvero gli scostamenti massimi tra valori ricavabili dalla carta e quelli reali. Poi abbiamo il rapporto di scala 1:n , il n di volte in cui è stata ridotta la scala. Per convenzione rappresenta il dettaglio della carta. Poi abbiamo la legenda che fornisce la chiave di lettura della carta in funzione delle linee, resinature, simboli…

    Deve dare informazioni sul territorio ed essere una base per progetti e gestione del territorio. Deve possedere determinati requisiti: congruenza (no contraddizioni e i punti dopo spostamento rigido devono coincidere), leggibilità (unicità di interpretazione), veridicità.

    La cartografia numerica vector fornisce informazioni qualitative e metriche sotto forma di numeri (coordinate e codifiche per la tipologia) su supporti digitali, e visualizzazioni su monitor e stampe. È un‟immagine speculare della cartografia tradizionale. L‟informazione è sintetica ma può essere

    facilmente elaborata.

    I tipi di cartografia numerica vettoriale sono: solo planimetrica, con planimetria e altimetria (punti q

    e curve di l), tridimensionale (in aggiunta abbiamo la quota per i punti che descrivono particolari artificiali e particolari planimetrici). Per la cartografia numerica il concetto di rapporto di scala è superato, si parla di scala nominale: parametro che definisce la scala di riferimento di una cartografia

    numerica in funzione della corrispondente scala di una cartografia tradizionale realizzata seguendo gli stessi requisiti di precisione metrica. Ci indica il contenuto qualitativo e la precisione metrica del file. Sistema di codifica: solo attribuendo un codice a ogni entità memorizzata nella cartografia numerica possiamo dare all‟utente la possibilità di lettura e al PC informazioni da poter essere elaborata. Si comincia stabilendo l‟elenco degli oggetti avvalendoci ad esempio dalle macro categorie stabilite dalla commissione geodetica italiana. Quindi dopo aver scelto i contenuti, possiamo scegliere il tipo di codice da scegliere se numerico o alfanumerico ad esempio. In genere si utilizzano 8 caratteri ed un‟articolazione ad albero. Es: le prime due cifre del codice indicano l‟appartenenza ad una categoria (costruzioni), le seconde due la tipologia dell‟oggetto (costruzioni speciali)… (aeroporto).

RICAMPIONAMENTO _ RESAMPLE : correzione radiometrica

    La fase finale del processo sia di georeferenziazione consiste nel ricampionamento. Questo è necessario perché ogni volta che su una immagine è stata applicata una trasformazione geometrica il risultato è che i pixels si trovano in una nuova posizione, più accurata, ma la cui radiometria non rappresenta più i valori reali misurati sulla scena. Per questa ragione l'immagine deve essere ricostruita per posizionare i valori originali di radianza nella nuova griglia.

    Una stima dei nuovi valori di radianza e quindi dei nuovi valori dei pixel viene fatta mediante delle procedure di interpolazione matematica dette tecniche di ricampionamento.

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    I tre tipi di algoritmi più utilizzati, in ordine di complessità e accuratezza crescenti sono: • Nearest neighbour _ • Bilinear interpolation _ • Cubic convolution.

    ; Nearest NEIGHBOUR: nel ricampionamento ogni pixel delle texture mantiene il colore dell’elemento più vicino presente originariamente. E' il metodo più veloce, ma fornisce i risultati peggiori nella visualizzazione infatti i coefficienti iniziali, rimangono inalterati ma potrebbero essere duplicati o persi e quindi si crea una sorta di scalinatura.

    ; Bilinear: il colore di ogni pixel delle texture viene determinato come media pesata dei quattro pixel circostanti. Richiede un maggior tempo di elaborazione rispetto al metodo nearest, ma fornisce risultati globalmente discreti, più smussati e meno scalinati. L’equazione è la seguente:

     Di volta in volta inseriamo le coordinate x, y dei 4 punti (e quindi 4 equazioni in 4 incognite) e una volta avuti a, b, c, d applichiamo di nuovo la formula per avere il valore finale.

    ; Bicubic: il colore di ogni pixel delle texture viene determinato come media pesata dei (16 pixels circostanti). Richiede un tempo di elaborazione elevato, soprattutto se paragonato al metodo nearest, ma fornisce i risultati migliori.

Per i files in B/N si sceglie il nearest (nei contorni non essendo possibile interpolare bianco e nero (o 0B o 1N) allora si sceglie un criterio all’inizio). Per i livelli di grigio spesso si predilige la Cubic perché migliora la percezione dell’immagine. Nel true color cmq si interpolano i colori (RGB) in modo separato.

    Georeferenziazione

    Per rendere un file raster o un file vettoriale come un file di cartografia numerica dobbiamo effettuare una georeferenziazione in modo che il computer legga in automatico le coordinate sulla carta. Quindi collocare l‟immagine raster o grafico vettoriale nello spazio cartografico desiderato; richiede l‟utilizzo di un software dove l‟utente indica per alcuni punti le coordinate sia iniziali che finali. Il software determina in automatico le coordinate finali di tutti i punti e colloca l‟immagine nella nuova posizione.

    Per fare ciò si effettuano delle trasformazioni geometriche.

    La trasformazione conforme che effettua una roto-traslazione con variazione del fattore di scala e quindi abbiamo una traslazione secondo l‟asse delle X e una secondo Y, una ro