LA TECNOLOGIA GIS

 

 gis concepts

 

Autori:   Maurizio Romani, Bernardo Rapi, Piero Battista

 

 

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Che cosa è un GIS

gis 2

 

Probabilmente esistono tante definizioni quante sono le persone che usano questo tipo di strumenti.

Spesso si usano parole come GIS, SIT senza conoscerne il significato e riferendosi a progetti od applicazioni che non lo sono.

Definizione classica

 

 

Un GIS è un potente set di strumenti utilizzati per la raccolta, l’archiviazione, la gestione, l’analisi e la rappresentazione di dati spaziali tratti dal mondo reale per una particolare finalità

Definizione moderna

Possiamo definire come GIS una tecnologia capace di integrare comuni operazioni di interrogazione di un database tradizionale e le tecniche di analisi statistica con le potenzialità uniche di visualizzazione e analisi spaziale offerte dalla cartografia digitale.

 gis 3 it

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La tecnologia GIS permette di affrontare i problemi in modo integrato e multidisciplinare e, consentendo di descrivere sistemi complessi può essere usata efficacemente nei sistemi di supporto alle decisioni
MISURARE Un GIS possiede strumenti facili da usare per avere direttamente la lunghezza , ad esempio di una strada, di una parete di un edificio o l’area di un poligono che ad esempio può rappresentare un lago, una regione, ecc.
PENSARE L’uso della tecnologia GIS impone un nuovo modo di pensare. Tutte le informazioni del mondo reale devono, infatti, essere riferite ad una posizione nello spazio e scomposte in temi omogenei.
ANALIZZARE L’uso del GIS permette di eseguire analisi complesse sulle informazioni ed ottenere nuove informazioni a partire da quelle di base.
PIANIFICARE Tramite il GIS è possibile usare le informazioni in modelli di simulazione in modo da prevedere scenari futuri utili a pianificare le azioni da eseguire sul territorio.
DECIDERE Gli strumenti GIS possono essere usati come supporto alle decisioni in vari campi applicativi.

 

 arcview

 

Il GIS è anche un linguaggio di comunicazione

 L’obiettivo della cartografia tradizionale era quello di comunicare la posizione dei luoghi e raggiungerli. Con il GIS possiamo esprimere concetti complessi in quanto è in grado di integrarsi con le nuove tecnologie, quali INTERNET, telefonia mobile, navigatori satellitari.

 

 

Geographic : tutti gli oggetti che ci circondano sono caratterizzati da una precisa posizione nello spazio, identificabile in modo univoco, e da una forma , definibile mediante un appropriato modello dei dati.

 Information :gli oggetti possono essere caratterizzati e descritti mediante attributi

System : la gestione degli oggetti distribuiti nello spazio si esegue mediante sistemi integrati che comprendono hardware, software, dati, procedure, persone

 

 

 GEOGRAPHIC

I dati sono caratterizzati da una posizione precisa nello spazio identificabile in modo univoco. Le informazioni sono pertanto spazialmente georeferenziate

gis geog1

 

La posizione degli oggetti è definita attraverso la definizione di:

 

01 Un sistema di riferimento

02 Un sistema di proiezione

 

 

 

 

 

 

Horizontal Datums 620x322

La posizione di un punto sulla superficie terrestre si può indicare mediante due angoli : la LATIDUDINE, misurata a partire dal piano equatoriale, e la LONGITUDINE, misurata a partire dal meridiano di Greenwich.

 

Proiezioni Geografiche

spatial projection transformations crs

 

La forma della Terra è approssimativamente sferica per cui per poter riprodurre in due dimensioni una porzione di superficie e poter eseguire operazioni di misura di lunghezze, aree ed angoli è necessario riportare su un piano di riferimento la superficie terrestre applicando una trasformazione geometrica detta proiezione.

 

 La forma degli oggetti viene descritta utilizzando delle geometrie elementari o feature o entità. Ogni feature ha una precisa posizione nello spazio, determinabile univocamente mediante un sistema di riferimento. Si possono distinguere 4 classi di feature:

poligoni, punti, linee, celle (pixel)

GIS data models

 

Punti, linee e poligoni sono le feature di base del MODELLO VETTORIALE

 I punti sono oggetti (feature) zero-dimensionali che contengono un singolo paio di coordinate (XY). I punti sono tipicamente usati per rappresentare elementi/eventi singoli e discreti come pozzi, tralicci, alberi, punti quotati, ecc. La sola proprietà intriseca è rappresentata dalla posizione. Altri tipi di elementi puntuali sono i vertici e i nodi.Specificamente, un punto è una caratteristica indipendente, mentre un nodo è una giunzione topologica che rappresenta una coppia di coordinate X, Y comune  tra linee intersecanti e / o poligoni. I vertici sono definiti come ogni flessione (angolo, cambio di direzione)  lungo una linea o funzione di poligono che non è l'intersezione di linee o poligoni.

Le linee sono feature mono-dimensionali composte da punti esplicitamente connessi tra loro. Le linee sono usate per rappresentare elementi lineari come strade, fiumi, limiti, ecc. Le linee hanno la proprietà intriseca della lunghezza. Le linee che connettono direttamente due nodi sono dette anche archi o segmenti.

I poligoni sono feature bidemensionali composti da linee connesse tra loro per creare un'area chiusa. Nei poligoni la prima coppia di coordinate è uguale all'altima. I poligoni sono usati per rappresentare aree omogenee come laghi, città, suoli, colture, ecc, Le proprietà dei poligoni sono il perimetro e l'area.

 MODELLO RASTER

raster 1

 

 

La struttura raster è tipica delle immagine satellitarie, delle foto aeree e di alcuni prodotti elaborati come i Modelli Digitali del Terreno

 

Il modello raster consiste di righe e colonne di elementi di uguale dimensione detti pixel o celle, interconnessi a formare superfici piane. Questi pixel vengono utilizzati come blocchi di base per la creazione di punti, linee, aree, reti e superfici. Ogni cella (pixel di un raster contiene un singolo valore, che rappresenta la caratteristica del fenomeno spaziale in una posizione indicata dalla riga e dalla colonna. Il tipo di dati per quel valore di cella può essere intero o float.

 

 

 

INFORMATION

 

gli oggetti possono essere caratterizzati e descritti mediante attributi

 feature attribute1

Gli attributi possono derivare da molteplici fonti d’informazione ed avere vari formati (numerici, alfanumerici, immagini, filmati, suoni, ecc.). Generalmente sono memorizzati in tabelle di database relazionali.

 

 

Un GIS ha la capcità di collegare le feature , definite da posizione e forma, agli attributi per costruire l'informazione geografica.

 

geographic informatio

 

 

 I dati elementari isolati non sono utili, ma se vengono organizzati e collegati tra loro forniscono un informazione utile

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gis layers

 

In un GIS le informazioni geografiche relative al mondo reale vengono organizzate come un insieme di strati (layers o temi) tematici omogenei.

Questo concetto è semplice ma estremamente potente e rende i GIS utilizzabili per risolvere problemi in molte attività umane.  Utilizzando questa organizzazione il GIS è in grado di produrre nuove informazioni interrogando i dati di partenza.

I GIS possono utilizzare e organizzare dati da molteplici fonti e con caratteristiche diverse : dati tabellari, immagini, dati cartografici digitali e analogici, testi, ecc.

gis datasource

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Le informazioni, generalemente organizzate in geodatabase, possono essere private e acquisiti per specifici progetti e memorizzate in formati proprietari, oppure possono essere resi pubblici tramite servizi open-data. La condivisione dei dati permette una migliore organizzazione del lavoro e un incremento dell’efficienza dell’organizzazione che l’adotta.

 

 

 

SYSTEM

La gestione degli oggetti distribuiti nello spazio si esegue mediante sistemi integrati che comprendono hardware, software, dati, procedure, persone

gis component

 

 

 

 

 

 

 A COSA SERVE UN GIS ?

 

 

01 Per rispondere alle classiche domande della Geografia

 

 

globe

COME - PERCHE’ – COSA - DOVE

 

  La posizione di uno oggetto identificata dalle coordinate rispondono alla domanda DOVE?

 Gli attributi descrittivi rispondono alla domanda COSA?

Le relazioni tra gli oggetti implicano sia la posizione che gli attributi. Esse possono essere “esplicite” e quindi rappresentate graficamente (es. una strada che congiunge due città, due regioni o stati confinanti..) o “implicite” e quindi frutto dell’interpretazione da parte di che legge la carta. Le relazioni rispondono alle domande COME? PERCHE’?

 

 

 

 

02 Per rispondere a domande più complesse

 

Cosa accade se...  ?   Se si verifica un evento in "a'" cosa può accadere in  "b" ?

 flood management system

 

 Quali sono le aree più suscettibili ai fenomeni franosi?

 

Landslide susceptibility map produced by GIS based MCDA method

Landslide susceptibility mapping using GIS-based multi-criteria decision analysis, support vector machines, and logistic regression

 

 Un GIS può essere utilizzato per molte applicazioni in campi molto diversi tra loro e come il presidente di ESRI ha detto durante una conferenza degli utenti anni fa, il limite  può essere solo l'immaginazione degli utilizzatori.

“The application of GIS is limited only by the imagination of those who use it.”
Jack Dangermond
President of ESRI

 

In pratica la tecnologia GIS può essere usata in qualsiasi situazione nella quale si presenti dati spazialmente referenziati.

 gis fields of application

 

FASI DI UN PROGETTO GIS

dreamstime l 58366688

 

01 Determinazione degli scopi del GIS

02 Analisi della situazione attuale

03 Inventario e controllo dei dati

04 Modellizzazione dei dati

05 Pianificazione del flusso dei dati

07 Scelta degli strumenti Software e Hardware

 

La fase più importante è la modellizzazione dei dati e questa avviene in varie fasi:

 

modellizzazione dati

 

 Modello esterno

modello esterno it

 

La realtà è complessa e per essere espressa in un modello. Quindi occorre farne un’astrazione estraendo solo le compenti principali necessarie allo scopo che ci si prefigge.

 

 

 

 

 

 

 

poggio casciano CHIANTI RUFFINO

 

La Realtà è:

  • Complessa e sovraccarica di informazioni
  • Non comprensibile nel suo complesso
  • Variabile nel tempo e nello spazio.

 

 

 

 

 

Le caratteristiche del Modello Esterno sono:

  • È una astrazione della realtà
  • Contiene solo le informazioni essenziali
  • Ha una struttura schematica

 Modello concettuale

 organize

Il modello concettuale descrive in modo univoco e consistente la struttura dei dati, utilizzando un linguaggio adeguato.

Esso comprende i contenuti, la tipologia dei dati e le relazioni.

 Il primo passo nella definizione del modello concettuale è l'individuazione delle feauture tematiche mettendole in relazione con le primitive grafiche.

Modello concettuale1

 

 Modello concettuale2

 Ogni entità (feature) tematica è descritta da una geometria, contenente intrinsecamente la posizione, e una serie di attributi che la descrivano.

 Nella realtà ci possono essere elementi costituiti da entità semplici che possono essere rappresentabili anche da geometrie diverse.

 

 

Tramline features

 

 Modello Logico

Dipende dal software GIS scelto e dal database ad esso connesso. La definizione del modello logico avviene utilizzando specifici linguaggi propri dell'ambiente su cui tale modello va implementato.  Generalmente si parla di DML (Data Definition Language) per strutturare il database e linguaggi specifici per la definizione delle varie entità e le loro relazioni come UML (Unfied Modelling Language) e/o GML (Geogrphic Markup Language) specifico per la definizione di entità spaziali.

 

Data Manipulation Language (DML) è una famiglia di linguaggi che consente di leggere, inserire, modificare o eliminare i dati in un database. Attualmente il linguaggio di manipolazione dati più utilizzato è l'SQL (Structured Query Language), che trova il suo maggiore campo di applicazione nel trattamento dei database relazionali. Altri linguaggi di tipo DML sono usati da DBMS non relazionali, come l'IMS/DL1 e l'IDMS.

In ingegneria del software, UML (unified modeling language, "linguaggio di modellizzazione unificato") è un linguaggio di modellazione e specifica basato sul paradigma orientato agli oggetti. Il nucleo del linguaggio fu definito nel 1996 da Grady Booch, Jim Rumbaugh e Ivar Jacobson (detti "i tre amigos") sotto l'egida dell'Object Management Group, consorzio che tuttora gestisce lo standard UML. Il linguaggio nacque con l'intento di unificare approcci precedenti (dovuti ai tre padri di UML e altri), raccogliendo le migliori prassi nel settore e definendo così uno standard industriale unificato.
Il Geography Markup Language (GML) è la grammatica XML definita dall'Open Geospatial Consortium (OGC) per esprimere oggetti geografici. GML serve come linguaggio di modellazione per sistemi geografici ma anche come un formato aperto di interscambio per transazioni geografiche via Internet.

Modello Fisico

data storage3

 

 

Determina la memorizzazione dei dati nel sistema informatico.
Dipende dal sistema operativo, dal software GIS e dal DBMS utilizzato

 

 

 

 

STRUTTURA DATI

MODELLO VETTORIALE

  • Ogni entità geografica ha identità univoca
  • Ogni entità geografica è rappresentata da un’astrazione geometrica semplice (Simple feature) : punti, linee, poligoni
  • Ad ogni entità sono connessi attributi per la descrizione delle stesse. Nel DB ogni feature è rappresentato dalle righe (tuple) e gli attributi dalle colonne

In sede di Open Geospatial Consortium (http://www.opengeospatial.org/) sono stati definiti gli standard delle geometrie primitive, inserendo anche nuove possibilità come le GeometryCollection che permettono di rappresentare elementi complessi. Tali geometrie sono gestite dai principali database quali ORACLE Spatial e PostgreSQL PostGIS.

geometries schema

 

geometries table

 

 

 

 

 

 Un Point è una geometria 0-dimensionale e rappresenta una singola locazione nello spazio delle coordinate. Un MultiPoint è una collezione di geometrie puntuali non coincidenti.

Una Curve è una geometria unidimensionale costituito da una successione di punti, dove per ogni coppia consecutiva di punti è definito un metodo di interpolazione Una curva è closed se il primo e l’ultimo punto sono coincidenti Una curva è simple se non passa due volte per uno stesso punto Le Curve sono topologicamente chiuse.

Una LineString è una geometria di tipo Curve che definisce fra le coppie di punti consecutivi una interpolazione di tipo lineare.

Una Line è una geometria di tipo LineString definita da due soli punti.

Un LinearRing è una LineString allo stesso tempo closed e simple linestring 

Una MultiCurve è una collezione di Geometrie di tipo Curve Una multicurva è simple quando ogni suo elemento è simple, inoltre due qualsiasi suoi elementi hanno eventualmente intersezione solo sui punti di frontiera Una multicurva è closed solo se tutti i suoi elementi sono closed.

Una MultiLineString è una MultiCurve i cui elementi sono LineString.

Una Surface è una superfice piana regolare.

Un Polygon è una Surface definita dalle seguenti proprietà:

  • E’ topologicamente chiuso
  • il limite (edge) di un Polygon è costituita da LinearRing
  • Gli elementi del limite non si attraversano e sono al più tangenti
  • Non può avere cutlines (interruzioni), spike (punte)  o punctures (buchi)
  • La parte interna è un insieme connesso

 

 

polygons ok polygon bad
Poligoni corretti Poligoni non corretti

 

 Una MultiSurface è una collezione di Surface con le seguenti proprietà:

  •  La parte interna di due sue Surface non può avere intersezione
  • Il limtite (edge) di due suoi elementi si interseca al più in un numero finito di punti
  • E’ topologicamente chiusa

 Un MultiPolygon è una MultiSurface di Polygon

La Topologia

Il termine deriva dal greco Topos + logos, ovvero “studio dei luoghi”, ed è un settore della geometria che studia le proprietà delle forme e le loro relazioni geometriche.  Nell’ambito dei GIS, attraverso la topologia è possibile definire relazioni di connessione, adiacenza e inclusione tra primitive geometriche (punti, linee e poligoni) e quindi analizzare le relazioni spaziali fra dati geografici.

Un GIS si dice topologicamente strutturato se nel suo modello dei dati oltre alla descrizione geometrica (coordinate) degli oggetti geografici vengono esplicitamente registrate (codificate) anche le relazioni topologiche fra gli oggetti stessi.

La topologià permette di rispondere alle tipiche query spaziali che sis eseguono in un GIS:

Prossimità
Quali allevamenti distano 3 km e 10 km dal focolaio dell'epidemia

proximity
Intersezione
Quali sono i comuni attraversati da autostrade ? (fascia di rispetto)
intersection
Network (rete)
Qual è il percorso migliore per raggiungere la stazione dall’hotel ?
network

 

La Topologia garantisce anche la coerenza geometrica delle primitive geometriche.

Nella fase di generazione della Topologia è possibile individuare e quindi correggere una serie di errori solitamente prodotti durante la procedura di digitalizzazione da fonti cartografiche:

  •  linee doppie che separano due poligoni adiacenti;
Double lines between polygons
  • mancata chiusura di poligoni;
  • generazione di micropoligoni (sliver polygons) causati da erronee
    sovrapposizioni (overlays);
  • generazione di “buchi” (gaps);
 polygon errors
  •  linee che non si connettono (es. mancate intersezioni, ecc.)
 line errors
 Topologia Arco-Nodo

arc node1

La topologia arco contiene:

  • codice identificativo unico dell’oggetto per l’associazione degli attributi
  • i nodi (punti all’inizio e alla fine dell’arco);
  • i vertici (punti intermedi dell’arco);
  • le coordinate cartografiche di vertici e nodi;
  • verso di percorrenza (dal nodo al nodo);
  • informazione di connettività con altri archi.

La struttura arco-nodo permette di definire in modo esplicito le relazioni spaziali tra gli elementi.

 

arc node topology

 

 Topologia Poligono-Arco (Area)

La topologia area si basa sulle seguenti regole (modello “Full planar graph ”):

  • ogni arco ha due nodi
  • ogni arco divide due aree (destra e sinistra)
  • ogni area è circondata da archi e nodi
  • ogni nodo è circondato da aree e archi
  • gli archi si devono intersecare solo in corrispondenza dei nodi
  • “il dentro è a destra”, cioè camminando lungo l’arco nel suo verso l’area è alla nostra destra.

La struttura arco-nodo rappresenta i poligoni (aree) come una lista ordinata di archi più che una serie di coordinate xy. Questa è chiamata TOPOLOGIA POLIGONO-ARCO.

arc polygon topology

 

 

La matrice DE-9IM (Dimensionally Extended nine-Intersection Model)

La topologia si occupa delle caratteristiche strutturali delle entità geometriche e delle loro relazioni reciproche. Le caratteristiche topologiche sono indipendenti dall’estensione e dalla grandezza degli elementi considerati.

topology

 

Gli elementi di (A,B) hanno la stessa topologia di (C,D)

 

 

 

 Il numero delle dimensioni di un oggetto geometrico è una caratteristica topologica:

  • Punto 0 dimensioni
  • Linea 1 dimensione
  • Poligoni 2 dimensioni

 

Le relazioni spaziali sono descritte da predicati (keyword) che indicano il tipo di relazione che ciascuna porzione di una geometria ha con un'altra. Queste relazioni sono definite dal OGC (Open Geospatial Consortium).

Le relazioni spaziali sono basate su come tre compenenti di una geometria inteseca o non si interseca con un'altra geometria. Ogni geometria ha un INTERIOR (insieme dei punti interni alla geometria), una BOUDARY (insieme dei punti sul limite o frontiera e un EXTERIOR (insieme dei punti esterni alla geometria). Il modo in cui queste componenti interagiscono determina il tipo di relazione spaziale che le geometrie hanno e a quale predicato topologico corrisponde,

de9im1 - Polygon

 

 

 

 

 

Per i poligoni l'INTERIOR è delimitato dalla linestring chiusa che lo definissce e che definisce il BOUNDARY. L'EXTERIOR è tutto ciò che non è INTERIOR e BOUNDARY.

 

 

 

 

 

 de9im - LINE

 

 

 

 Nelle linee le tre componenti sono meno evidenti. L'INTERIOR è rapprensentato dalla porzione tra due i due nodi (end point). Il BOUNDARY dai nodi che delimitano la linea. L'EXTERIOR tutto ciò che non è INTERIOR né BOUNDARY.

 

 

 

de9im - POINT

 

 

Per i punti il BOUNDARY è vuoto, l'INTERIOR è il punto stesso e l'EXTERIOR è tutto ciò che non è punto.

 

 

 

Usando queste definizioni di "Interior", "Boundary" e "Exterior, le relazioni tra qualsiasi copiia di elementi spaziali può essere caratterizzato usando la dimesionalità di nove possibili intersezioni tra "Interior", "Boundary" e "Exterior".

Dimensionally Extended 9-Intersection Model

 Per i poligoni, di quest'esempio, l'intersezione degli interiors è un'area bidemensionale, così la porzione della matrice è completata con un 2. Se le boundaru si  intersecano lungo una linea, la porzione della matrice è completata con un 1. Quando le boundary si intersecano solo in punti, che sono zero-dimensionali, la porzione della matrice è completata con uno 0. Quando non c'è nessuna intersezione la matrice è riempita con una F.

In alcuni ambienti come POSTGIS e SpatialLite la matrice DE-9IM (Dimensionally Extended nine-Intersection Model)  viene riportata con una sintassi lievement diversa:

F, 0, 1 e 2: come sopra;

T:  significa TRUE, es. ci si aspetta che si verifichi l'intersezione corrispondente, ma la sua natura specifica non ha importanza.
*: un asterisco significa sempre ignora questa cella.

Esempi (negli esempi si fa riferimento a due geometrie A e B di cui A è quella di riferiemento

Predicato Descrizione Esempi geometrici DE-9IM
 Disjoint

 Boundary e Interior non si intersecano.

A è DISJOINT da B

 disjoint
  I B E
I F F *
B F F *
E * * *
 Equals  Le geometrie hanno lo stesso Boundary e lo stesso Interior. A è EQUALS a B  equals
  I B E
I T * F
B * * F
E F F *
 Touches

 Le Boudary si possono intersecare o una Boundary può intersecare l'altro Interior.

Gli Interior non si toccano

Il predicato è indefinito tra geoemtrie di tipo punto

B TOUCHES A

 touches
  I B E
I F T *
B * * *
E * * *
 Crosses  Gli Interior si intersecano e l'Interior della geometria di base (A) interseca l'Exterior dell'altra geometria (B)

Nel caso di linea su linea, l'intersezione degli Interior forma un punto

Predicato indefinito per punto/punto e area/area

B CROSSES A
 crosses
  I B E
I 0 * *
B * * *
E * * *
 Overlaps

 Gli Interior si intersecano, ma nessuna delle due geometrie è contenuta dall'altra, ne le geometrie sono uguali.

Predicato indefinito per punto/linea, punto/area o linea/area

B OVERLAPS A
overlaps
  I B E
I T * T
B * * *
E T * *
 Contains

 Gli Interiors si intersecano e nessuna parte del Boundary e dell'Interior di B interseca l'Exterior di A. I Boundary possono intersecarsi. Rappresenta l'inverso di WITHIN.

A CONTAINS B

 

 

 contains
  I B E
I T * *
B * * *
E F F *
Within

 Gli Inteirors si intersecano e nessuna parte del Boundary e dell'Interior di A interseca l'Exterior di B. I Boundary possono intersecarsi. Rappresenta l'inverso di CONTAINS

A is WITHIN B

 within
  I B E
I T * F
B * * F
E * * *

 

 MODELLO RASTER

raster1

 

 

  • Rappresenta oggetti continui (es. quote, temperature, ecc.)
  • E' costituito da un set regolare di celle in una struttura matriciale (righe e colonne)
  • Gli oggetti del mondo reale sono  rappresentati dal valore della cella
  • Dato che le celle sono disposte in modo regolare, le relazioni spaziali sono implicite nella posizione della cella e non devono essere memorizzate.

Il modello raster, insieme al modello vettoriale, è uno dei primi e più ampiamente utilizzato,  all'interno dei sistemi di informazione geografica. Viene in genere utilizzato per registrare, analizzare e visualizzare i dati continui come l'elevazione, la temperatura o la radiazione elettromagnetica riflessa o emessa.  Il termine raster deriva dalla parola tedesca per schermo, che implica una serie di linee parallele orientate ortogonalmente. La sua origine come descrizione per le immagini proviene dal disegno eseguito dai fasci di elettroni sugli schermi a tubo catodico (CRT) nei primi giorni della televisione analogica, e la metafora è stata successivamente estesa anche alle immagini digitali.I raster digitali spesso assumono la forma di uno schema a griglia regolare di righe e colonne, con ogni elemento indicato come cella, pixel o un punto della griglia. A volte il raster viene definito immagine, matrice, superficie, matrice o reticolo. Le celle del raster sono spesso quadrate, ma possono essere rettangolari (con risoluzioni diverse nelle direzioni xe y).

La dimensione o l'estensione di ogni cella indica la risoluzione del raster e viene espressa in unità lineari di distanza (ad esempio,  metri, chilometri lungo un lato della cella) o in gradi o frazioni di gradi di latitudine e longitudine (ad esempio, un arco secondo o un terzo di arco secondo). La risoluzione  è una componente che determina i requisiti di memoria necessari per la memorizzazione, con risoluzioni più precise che richiedono più spazio in memoria.

 raster resolution

 Nel caso più comune, quando i pixel rappresentano un'area 2D, i pixel possono essere pensati come un "bin", in cui il valore del pixel è una statistica riassuntiva (ad es. media, mediana, deviazione standard) di tutti i valori del campo all'interno del limiti del pixel. Al contrario, i pixel potrebbero rappresentare il valore al centro esatto della griglia; questo è a volte indicato come una GRID.

grid1

Nelle grid ciascun punto di una superficie è rappresentato da una CELLA . Le celle di forma quadrata sono organizzate in righe e colonne. La cella può essere considerata come un poligono di cui ha le stesse proprietà topologiche.

grid2

 

Le grid discrete o intere possono avere una tabella degli attributi collegata ad ogni classe rappresentata dai valori delle celle (campo Value)

 grid3

 

Poiché ogni cella può avere un valore diverso, alle grid di tipo continuo non è associata nessuna tabella. Esiste solo una tabella interna dove esiste il solo campo Value

 

 I raster sono più comunemente usati per rappresentare dati continui, poiché consentono una memorizzazione più efficiente dei valori rispetto a un sistema di reticolo basato su punti o vettore equivalente alle densità dei punti generalmente richieste.  Questo perché le coordinate sono memorizzate implicitamente come posizione in una tabella di dati piuttosto che esplicitamente (come coordinate). Tuttavia, i raster vengono spesso usati per rappresentare anche dati discreti (ad es. Uso del territorio). In questi casi, un'area corrispondente ad una cella può contenere più di una categoria.. Ad esempio, una cella di una grid con una risoluzione di 100 metri può contenere al suo interno sia usi residenziali che industriali.

 Esistono diverse strategie comuni per affrontare il problema dei pixel misti, tra cui (a) la maggioranza (majority filter), (b) usando una categoria separata per indicare specificamente un pixel misto, (c) usando il valore più vicino al centro della cella, o (d) assegnare una percentuale di soglia per una determinata classe (ad esempio, se almeno il 25% dell'area all'interno del pixel è acqua, verrà registrato come acqua).

 I raster vengono distribuiti e utilizzati più comunemente come singole superfici con un solo valore di dati per cella (ad es. la qutoa) o come immagini con più bande. Un esempio di quest'ultimo tipo sono le ortoimmagini, con rosso, verde, blu, vicino all'infrarosso e potenzialmente molti altri livelli incorporati nello stesso raster. In tali casi, la rappresentazione del raster spesso implica il collegamento di ciascuna banda a un canale di visualizzazione rosso, verde o blu (RGB). I raster possono anche estendere la struttura della griglia multidimensionale per formare cubi (o voxel) o equivalenti iperspaziali, che possono rappresentare un volume di spazio, tempo, spazio attributo o qualsiasi combinazione di questi. I valori dell'indice possono anche essere utilizzati al posto delle misurazioni per collegarsi ad informazioni di attributi esterni memorizati in un database esterno (DBMS) tramite tabelle di ricerca.

 Voxel example

I raster possono essere memorizzati in molti di formati o contenitori. Solitamente sono memorizzati in un formato binario per motivi di efficienza, ma i formati di testo in chiaro non sono rari, sopratutto per la condivisione tra sistemi diversi, come  ArcInfo ASCII Grid di ESRI, forse il più usato di questo tipo. I formati raster binari sono molto numerosi e si rimanda al progetto GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) per un elenco dei suoi 154 formati leggibili. Molti formati originariamente progettati per immagini fotografiche sono stati usati come contenitori raster, inclusi JPG, JPEG2000, PNG e TIFF; questi hanno il vantaggio di poter spostare facilmente i dati raster dentro e fuori dai sistemi di elaborazione dati non GIS. Allo stesso modo, molti formati raster sono stati progettati specificamente per i dati geografici, tra cui ArcGRID di ESRI, il formato Imagine di Erdas e MrSID. NetCDF è stato progettato da Unidata come contenitore per molti tipi di dati scientifici basati su array ed è comunemente usato per i dati geografici raster nelle scienze atmosferiche dove è desiderabile contenere più strati di dati di serie temporali in un singolo file.

Quasi tutti i contenitori sono dotati di un meccanismo di compressione dei dati per ridurre le dimensioni dei file, ma variano nel grado in cui consentono la compressione senza perdite (vs perdita). In alcuni casi, una certa riduzione della fedeltà dei dati potrebbe non ridurre eccessivamente il valore del set di dati; ad esempio, le ortofoto digitali sono spesso distribuite nel formato JPEG, anche se  si verificano perdite di dati (spesso impercittibili) nel processo di codifica dei dati per l'archiviazione. In altri casi (ad es. Modelli di elevazione digitale DEM) la fedeltà dei dati è critica, e quindi questi sono spesso distribuiti in formati che presentano una compressione senza perdita di dati (ad esempio, GeoTIFF).

I formati spesso differiscono nei tipi di dati che possono contenere. Ad esempio, i PNG possono contenere solo dati di tipo intero con un massimo di quattro bande, mentre i TIFF possono contenere dati di tipo float e un numero maggiore di bande.

Le informazioni sulla georeferenziazione per le immagini raster sono incorporate direttamente nell'intestazione del file  o tramite file ausiliari distribuiti con il raster. Il cosiddetto "world file" è un esempio comune di quest'ultimo approccio, in cui un file di testo in chiaro separato descrive la posizione nello spazio geografico del centro del pixel in alto a sinistra, nonché la risoluzione x e y del raster.

Il contenuto di un "world file" sarà come il seguente:

20.17541308822119
0.00000000000000
0.00000000000000
-20.17541308822119
424178.11472601280548
4313415.90726399607956 
Linea 1: A: dimensione dei pixel nella direzione x in unità di mappa / pixel
Linea 2: D: rotazione sull'asse y
Linea 3: B: rotazione sull'asse x
Riga 4: E: dimensione dei pixel nella direzione Y nelle unità della mappa, quasi sempre negativa [3]
Riga 5: C: coordinata x del centro del pixel in alto a sinistra
Riga 6: F: coordinata y del centro del pixel in alto a sinistra 

 WorldFileParametersSchemas

 Il modello raster è spesso in contrasto con il modello vettoriale. Entrambi sono molto utili e la scelta del modello più adatto dipende interamente dallo scopo.  Il modello raster eccelle nei casi in cui i dati sono di natura continua, in quanto vi sono guadagni significativi in termini di efficienza di memorizzazione e indicizzazione a causa del regolare schema spaziale della griglia. Lo schema regolare, inoltre, velocizza il calcolo aritmetico tra matrici e riduce il tempo necessario per alcune operazione come l'interpolazione di dati mancanti e il ricampionamento. Poiché i raster possono essere interpretati come immagini binarie o in scala di grigi, molte operazioni originariamente progettate per la computer vision possono essere facilmente applicate a problemi di classificazione o machine learning.

I raster hanno anche diversi svantaggi. Molti formati supportano solo un singolo livello di risoluzione, sebbene la costruzione di piramidi di immagini ausiliarie possa ridurre l'impatto di questo sulla visualizzazione. Un'altra limitazione dei formati raster è rappresentata dal fatto che la riproiezione e / o il ricampionamento generalmente provocano vari gradi di degradazione dei dati. I raster con risoluzioni grossolane relative agli oggetti o agli attributi che rappresentano possono causare un aspetto "a blocchi" dei dati. L'aumento della risoluzione non può risolvere completamente questo problema sia per ragioni pratiche che teoriche, poiché una maggiore risoluzione pone richieste più pesanti su memoria, occupazione disco  e potenza di elaborazione. Le celle raster sono generalmente considerate topologicamente collegate alle loro vicine a destra, a sinistra, in alto e in basso, ma possono anche essere collegate in diagonale (o ancora più lontano).  Le connessioni topologiche possono essere molto importanti quando si usa il modello raster per elementi lineari come strade o fiumi. La conversione in raster di elementi vettoriali lineari può generare errori di inclusione e di assegnazione di valori errati.

MODELLO DATI TIN (Triangulated Irregular Network)

Il modello dati "Triangulated Irregular Network", chiamato TIN, rappresenta un'alternativa al modello raster per rappresentare superfici continue. Esso permette di generare modelli di superfici per analizzare e visualizzare modelli digitali del terreno ed altri tipo di superfici. Il modello TIN è uno modello vettoriale speciale.

Questo modello è utile per rappresentare superfici con variabilità elevata contenenti discontinuità e linee di frattura. Un TIN connette una serie di posizioni xyz localizzate in modo irregolare. Ogni posizione ha un significato in quanto definisce un punti dove esiste una variazione nella superficie. Per esempio, tutti punti limitrofi ad un picco di una montagna saranno in discesa, tutti i punti a monte rispetto ad un punto lungo un fiume saranno in salita e quelli a valle in discesa. I punti usati per definire un TIN sono chiamati "mass points". Le linee come i fiumi o linee di costa sono chiamate "breaklines". Le aree a quota costante, come i laghi sono chiamate "exclusion polygons".  I mass points divengono nodi di triangoli, mentre le breakline e i bordi degli exclusion polygons divengono i bordi dei triangoli.

 

tin1

 

 

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 Il modello TIN rappresenta una superficie come una serie di triangoli collegati tra loro, da cui l'aggiunttivo "Triangulated".  I triangoli sono formati da tre punti, che possono essere localizzati in modo casuale, da cui l'aggettivo "Irregular". Questo in contrasto con il modello in cui i punti sono organizzati in griglie regolari. Infine il modello crea una rete di triangoli memorizzando le relazioni topologiche dei triangoli.

TIN  triangle network topology

 L'elemento fondamentale del modello TIN è rappresentato dal nodo. I nodi sono connessi ai loro vicini da bordi, secondo specifiche regole. La topologia sinistra-destra è associata ai bordi per identificare i triangoli adiacenti.

I triangoli sono costruiti in base ai "mass points" e alle "breaklines" in input, che forniscono informazioni e vincoli sulla superficie.Il modello TIN crea i triangoli da un insieme di punti detti "mass points", che  divengono nodi. L'utente non è responsabile della selezione dei nodi da usare per la creazione dei triangoli.  Nel corso della costruzione del TIN, possono essere aggiunti ulteriori nodi in base a una serie di regole. I mass points possono essere localizzati ovunque, più sono selezionati con cura, maggiore sarà l'accurateza del modello di superficie. I mass point  dovreberro essere posti dove esistono forti variazioni di forma della superficie, come per esempio alla sommità delle montagne, nei fondo valle, o ai bordi (superiori ed inferiori) di dirupi. Connettendo i punti di un fondo valle o lungo i bordi di un dirupo può essere defintia una linea di discontinuità nella superficie. Questo tipo di linee sono dette "breaklines". I fiumi e le linee di costa sono spesso usate come breaklines.

 Breaklines

 

 

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