Geomatica

Geomatica

Il termine Geomatica è nato nell'Università di Laval in Canada nei primi anni '80. Deriva dal greco geos terra e matica informatica. Questa disciplina è definita come approccio sistemico integrato multidisciplinare per selezionare gli strumenti da tecniche appropriate per acquisire (in modo metrico e tematico), integrare, trattare, analizzare, archiviare e distribuire dati spaziali georiferiti con continuità in formato digitale.

Le discipline e le tecniche della geomatica

• Topografia: l'insieme delle procedure del rilievo diretto del territorio (planimetria, altimetria, agrimensura, celerimensura).
• Telerilevamento: acquisizione a distanza di dati riguardanti il territorio e l'ambiente nonché l'insieme dei metodi delle tecniche per la successiva elaborazione e interpretazione.
• Sistemi di scansione laser per l'individuazione di oggetti e la misura della loro distanza tramite l'uso della redazione luminosa in un intervallo dello spettro elettromagnetico caratteristico delle frequenze ottiche (0,3-15 µm).
• Fotogrammetria: scienza per determinare la posizione e le forme degli oggetti a partire da misure eseguite su immagini fotografiche degli oggetti stessi.
• Sistemi di posizionamento satellitari: consentono il posizionamento tridimensionale di oggetti anche in movimento nello spazio e nel tempo su tutto il globo terrestre con qualsiasi condizione meteorologica e in modo continuo.

Rappresentazione della terra

La geodesia è la scienza per la determinazione della forma e dimensioni della terra, cioè che definisce la superficie di riferimento nella sua forma completa: il geoide, e nella sua forma semplificata: l’ellissoide, e del suo campo gravitazionale esterno in funzione del tempo.

La cartografia fornisce una possibile descrizione della forma e dimensione della terra, dei suoi particolari, naturali e artificiali, mediante rappresentazione grafica o numerica di zone più o meno ampie della superficie terrestre secondo regole prefissate.

Informatica: disciplina che comprende la tecnologia dei calcolatori: hardware e il modo in cui l'informazione viene strutturata ed elaborata: software. L'informatica è la disciplina che si occupa di rappresentare ed elaborare in maniera più o meno complessa dati continuamente aggiornati in ingresso (input), che vengono elaborati o semplicemente immagazzinati per essere rielaborati in un momento successivo e restituiti come dati in uscita (output), o più semplicemente come informazioni.

Web GIS: per la divulgazione dei dati geografici immagazzinati su macchine dedicate alla memorizzazione delle basi di dati secondo architetture di rete anche molto complesse. È un sistema di elementi che interagiscono tra loro che gestisce informazioni e dati che hanno a che vedere con oggetti ed eventi che si verificano sul territorio (georeferenziato).

Dato vs Informazione

Un dato è la misura diretta di una grandezza fisica oppure la definizione di una qualità di un'entità; l'informazione invece è l'interpretazione umana oppure l'elaborazione strumentale. Un'immagine satellitare grezza costituisce il dato in quanto memorizza una quantità di radiazione elettromagnetica. Una sua qualunque elaborazione finalizzata genera informazioni (immagine tematica, carta topografica); Il dato GPS è una misura di tempo, l'informazione derivata è una posizione nello spazio; Il record di un archivio elettronico (database) è il dato, la risposta ad un'interrogazione sui dati è un'informazione. Ad esempio, il lato di un edificio è un dato, l'area dello stesso edificio, poiché si calcola attraverso l'elaborazione dei dati, è l'informazione.

Tipologie di dati

• Vettoriali: il dato può essere di diverso tipo:
  • Primitiva geometrica (punto, linea, poligono) → Scala di rappresentazione → errore di grafismo (elemento più piccolo che posso rappresentare alla Scala reale)
  • Attributi tabellari → database relazionali (possibilità di unire più tabelle) → legende (varie tipologie di visualizzazione, ad esempio il colore)
• Raster:
  • Immagini cartografica
  • Superficie di interpolazione triangolata (TIN)
  • Immagine classificata
  • Immagine fotografica
  • Immagine fisica (matrice → insieme di righe e colonne, della stessa dimensione, che si intersecano tra loro formando l'elemento base, la primitiva geometrica)
• Tabellari: alcune fanno parte dell'atto vettoriale, altre invece no (tabelle alfanumeriche). Le tabelle primitiva geometrica: pixel/cella. Che non fanno parte del lato vettoriale non sono georiferite, ma possono trasformarsi.

I dati vettoriali e raster sono georiferiti. I dati vengono caricati secondo il modello n(G-A), quindi sono organizzati in classi di elementi, che devono essere omogenei quindi devono avere la stessa primitiva geometrica ed avere lo stesso significato (modello logico dei dati). Edifici.shp → shape file, primitiva geometrica, costruzione geometrica. edifici.dbf → tabella, database file-attributi. Edifici.shx → file indicizzazione: connette la parte grafica al record corrispondente alla tabella. Edifici.prj → caratteristiche del sistema cartografico di riferimento, può anche non esserci.

20% Overlay → si sviluppa in senso verticale, rispettando un ordine logico: alla base primitiva geometrica più grande, poligono o raster, in ordine decrescente fino alla primitiva geometrica più piccola, il punto. Copertura tematismi linearia reale n (G-A) n= layers informativi A= operatori di tipo tradizionale (alfanumerici) legati agli attributi Immagini G= operatori spaziali legati al concetto di tematismi poligonali (Raster) topologia (adiacenza-distanza-trasparenza contenimento-intersezione).

Sistemi geodetici cartografici di riferimento utilizzati in Italia

I sistemi geodetici cartografici servono per rappresentare l'informazione 2D e 3D da una superficie non piana (superficie della terra) ad una superficie piana (carta).

1. Trovare una superficie matematica che descriva meglio la superficie della terra: Geoide posizionamento rispetto alla superficie terrestre. DATUM, combinazione di:
   1. Equazione ellissoide
   2. Centro di emanazione o tangenza Superficie perpendicolare in ogni punto alle linee di forza del campo gravitazionale. L'equazione si otterrebbe come integrale del vettore forza di gravità esteso a tutta la massa terrestre.
   3. Applicazione di una proiezione cartografica analitica o geometrica tenente conto del fuso di appartenenza es. GB o UTM.

La quota ortometrica è la quota riportata sulla carta prendendo come riferimento il geoide; la quota ellissoidica, invece, ha come riferimento l'ellisse. Il centro di emanazione o tangenza → cos'è il Geoide? Il geoide è la superficie matematica che descrive meglio la terra. È la superficie equipotenziale che si ottiene graficamente tracciando la perpendicolare in ogni punto alle linee di forza del campo gravitazionale. L'equazione viene descritta attraverso l'integrale del vettore forza di gravità esteso a tutta la massa terrestre.

Cos'è l'ellissoide? È una superficie di rotazione generata a partire da un'ellisse. Un'ellisse di semiassi a (raggio equatoriale) e b (distanza tra piano equatoriale e poli) viene fatta ruotare intorno all'asse b coincidente con l'asse di rotazione terrestre Z. Il piano in cui giace il cerchio generato dalla rotazione del semiasse maggiore a è coincidente col piano (x,y) della terra geocentrica (piano equatoriale).

La latitudine è l'angolo tra la sezione contenente la normale ellissoide passante per P e il piano equatoriale. La longitudine è l'angolo tra il piano meridiano passante per P e il piano meridiano riferimento passante per Greenwich. Per ogni ellissoide di riferimento cambiano i valori dei semiassi. I parametri principali per descrivere gli ellissoidi sono il raggio di curvatura del meridiano alla latitudine (raggio minimo di curvatura), gran normale alla latitudine (raggio massimo di curvatura) e il raggio medio di curvatura alla latitudine.

Teorema di Gauss

Due superfici sono sviluppabili una sull'altra se nei loro punti corrispondenti la curvatura totale è la stessa; in tal caso le due superfici si possono sviluppare una sull'altra e risultano coincidenti. Dal punto di vista cartografico significherebbe che se la superficie della terra (rappresentata come ellissoide) avesse la stessa curvatura totale del piano in ogni punto, potrebbe essere sviluppata direttamente su un piano e ciò comporterebbe una rappresentazione diretta di tutti gli oggetti che sono posizionati sulla superficie ellissoidica. La curvatura totale K di una superficie in un punto P è definita come il prodotto delle due curvature (massima e minima) espresse come reciproci dei raggi di curvatura massimo e minimo: la curvatura totale del piano è zero. Vediamo quanto vale la curvatura totale delle principali superfici tridimensionali di rotazione:

Nella sfera e nell’ellissoide, K è diverso da zero, quindi la curvatura non è nulla. Nel cilindro e nel cono K è uguale a zero quindi queste due superfici tridimensionali possono essere utilizzate come proiezioni di riferimento. Alle nostre latitudini, la superficie ottimale è quella cilindrica.

Proiezione cilindrica trasversa (UTM): il cilindro deve essere tangente al fuso di riferimento dove si trova la zona di lavoro. Il globo terrestre è suddiviso in 60 fusi di ampiezza di 6°. I fusi sono numerati a partire da quello compreso tra le longitudini 180° W e 174° W e procedendo verso est (meridiano opposto a quello di Greenwich). Per quanto riguarda la proiezione, il cilindro è posto orizzontale e tangente al meridiano centrale del fuso. Inoltre si ha una suddivisione in 20 fasce di ampiezza 8°, individuata da lettere dalla C alla X (tranne I e O) ordinate dal basso verso l'alto. In Italia ci sono tre sistemi geodetici di riferimento:

• Meridiano centrale del fuso di riferimento Long 9° (fuso 32-ovest) long 15° (fuso 33-est)

La carta di Gauss è una rappresentazione analitica che può immaginarsi derivata da una proiezione cilindrica trasversa. Le deformazioni aumentano man mano che ci si allontana dal meridiano centrale di riferimento. Avviene attraverso un'equazione che permette di calcolare le coordinate cartografiche (ovvero piane) fx e y in ogni punto in cui sono note le coordinate geografiche (Latitudine) e λ (longitudine).

Datum proiezione fuso false origin

Fattore di contrazione: m = 0,9996 → serve per avere una proiezione più vicina alla realtà. Il cilindro viene posto tangente al meridiano di riferimento. Questo comporta una deformazione crescente man mano che ci si allontana dal punto di tangenza. Come concetto generale è meglio invece avere deformazioni positive per negative anziché solo positive e più contenute in valore assoluto. Per conseguire questo scopo i due fusi sono stati proiettati, anziché su due cilindri tangenti e meridiani di riferimento, su due cilindri secanti l'ellissoide, cioè su due cilindri aventi come direttrici un'ellisse di semiassi a’ e b’ minori di quelli dell’ellissoide. I semiassi a’ e b’ sono stati ridotti dello 0,4 per mille rispetto ai semiassi ellissoidici.

Vogliamo rappresentare sulla carta la posizione di un punto sulla superficie terrestre; quindi, dobbiamo passare da una superficie curva a un piano.

1. Rappresentare la superficie terrestre riproducendo al meglio il geoide con il datum (e li sole e suo posizionamento rispetto al geoide).
2. Passare da coordinate su superficie curva (ellissoide) a quelle piane su carta, ovvero cartografica attraverso la proiezione riferita ad un fuso.

Localizzazione delle coordinate

Sistema di riferimento geocentrico → sistema di riferimento rispetto al quale, per riferire le coordinate della superficie matematica della terra (Geoide), fu scelta una Terna cartesiana ortogonale (X,Y,Z) così definita:

• Origine della terra nel baricentro della massa terrestre
• Asse Z coincidente con l'asse di rotazione terrestre
• Asse X giacente nel piano contenente l'asse di rotazione è un punto arbitrario della superficie terrestre (Greenwich)

Ogni punto P della superficie terrestre è individuabile in due modi: in funzione delle coordinate cartesiane oppure in funzione di una coppia di coordinate geografica terrestri → la latitudine terrestre è l'angolo che la verticale passante per il punto P forma col piano equatoriale; la longitudine terrestre è l'angolo che il piano contenente è il punto P e l'asse di rotazione terrestre forma con il piano definito dall'asse di rotazione terrestre e dal meridiano passante per Greenwich. Le coordinate ellissoidiche dei vertici trigonometrici sono determinate in Italia dall'Istituto geografico militare. L’IGM ha realizzato quattro ordini di vertici trigonometrici Uniti tra di loro con maglie triangolari equilaterali. In quella di primo ordine, il lato è di circa 30 km, le successive sono definite internamente ai triangoli di ordine precedente. Usando formule di trigonometria ellissoidica, le coordinate di un punto k sono calcolate in funzione delle coordinate ellissoidiche del punto i vicino.

In Italia esistono reti geodetiche (maglie triangolari) di diverso ordine per ciascun sistema cartografico di riferimento da cui, per interpolazione lineare, si possono calcolare le coordinate piane metriche di qualsiasi punto non noto all'interno di ciascun triangolo. Inoltre, si possono impostare equazioni analitiche di conversione tra un sistema e l'altro perché si conoscono le coordinate dei vertici delle maglie nei vari sistemi cartografici.

Sistemi di riferimento geocentrici

Per quanto riguarda i sistemi di riferimento geocentrici associati a vari ellissoidi, nel tempo le misure geodetiche sono diventate sempre più accurate e questo ha permesso di definire nuovi parametri geometrici e quindi sistemi di riferimento sempre più precisi dei precedenti. L’ITRS è l’International Terrestrial Reference System, il sistema di riferimento globale, mantenuto e reso disponibile dallo IERS, International Earth Rotation Service, che materializza il cosiddetto ITRF, International Terrestrial Reference Frame sfruttando le moderne ed affinate tecnologie di rilievo satellitare ed una serie di stazioni di misura sparse sulla Terra (la rete IGS che usa come ellissoide di riferimento geocentrico GRS80). A causa delle continue deformazioni e movimenti della superficie terrestre questi frame devono essere aggiornati con una certa cadenza temporale; quindi, si parla di ITRF associati ad un preciso anno. Per esempio, ITRF00 è la materializzazione del sistema di riferimento ITRS all’anno 2000.

A livello Europeo le cose funzionano in modo simili a quello che succede a scala globale. Infatti, nel 1990 fu deciso che l’Europa avrebbe adottato un sistema di riferimento coincidente con l’ITRS all’epoca 1989 e solidale con la placca Euro-Asiatica. Questo sistema prese il nome di ETRS89, European Terrestrial Reference System 1989 e la sua materializzazione corrispondente è l’ETRF89. La creazione di un sistema Europeo è stata necessaria e legata al fatto che il movimento della placca Euro-Asiatica non è per niente trascurabile, rispetto al resto delle placche mondiali, infatti è stato calcolato che dal 2000 l’ETRF89 si è spostato di circa 25 cm.

In Italia il Decreto 10 novembre 2011 “Adozione del Sistema di Riferimento geodetico nazionale“ prevede che il Sistema di Riferimento geodetico nazionale adottato dalle amministrazioni italiane sia costituito dalla realizzazione ETRF2000 (aggiornato all’epoca 2008 e basato sull’ellissoide GRS80) del Sistema di Riferimento geodetico Europeo ETRS89. L’IGM si è occupata di allineare l’Italia a questo “frame” convenzionale dell’ETRS89 ufficializzato in Europa tramite una serie di stazioni permanenti (Rete Dinamica Nazionale, RDN) di cui si misurano, con grande precisione e metodi satellitari, le rispettive posizioni. Quindi anche in Italia viene utilizzato l’ETRF2000 con riferimento temporale al 2008. Il passaggio tra coordinate geografiche e cartografiche nel sistema di riferimento ETRF2000 si fa sempre tramite la proiezione UTM.

Considerando tutte le nazioni che ci sono sulla Terra e le rispettive travagliate storie cartografiche, si è reso necessario portare un po’ di ordine e quindi codificare tutti i sistemi di riferimento ed i relativi parametri di trasformazione (ovvero quelli necessari x passare da un sistema di riferimento ad un altro) in registri mantenuti da organizzazioni mondiali. Tra tutti questi registri, il più diffuso è il registro EPSG (Eu...