Introduzione ai Sistemi Informativi Territoriali e ai Geographic Information Systems

GIS (Geographic Information Systems)

Introduzione

Geografia = scienza che studia gli elementi fisici e gli esseri viventi che caratterizzano la Terra, le loro evoluzioni e le loro interazioni.

Cartografia = insieme di conoscenze scientifiche, tecniche e artistiche utilizzate per rappresentare simbolicamente dei fenomeni che avvengono sulla Terra. È una branca della geografia che mira a rappresentare e mappare il mondo reale, generalmente su un piano (carta), attraverso delle trasformazioni geometriche, dei sistemi di coordinati e degli insiemi di simboli.

Geographic Information Systems = insieme di strumenti che consentono di trattare problemi relativi a diversi domini utilizzando un approccio geografico, sia in fase di analisi sia per la rappresentazione dei risultati.

L’approccio geografico può essere comune a molte discipline (scienze ambientali, gestione risorse naturali, pianificazione territoriale, navigazione, marketing, epidemiologia, turismo, criminologia, studi umanistici, gestione trasporti…) e può essere usato ogni qual volta si debba analizzare e interpretare dei fenomeni dotati di connotazione → spaziale si basa sulla posizione degli oggetti. La tecnica cartografica rappresenta uno degli strumenti utilizzabili nell’ambito dell’approccio geografico, e si serve di strumenti sia informatici che cartacei. Alcuni esempi applicativi della tecnica cartografica:

• Ambito linguistico → analisi dell’evoluzione temporale della diffusione di certi costrutti linguistici in Europa;
• Ambito epidemiologico → dalla mappatura dei casi di colera durante l’epidemia londinese (1850 ca.) è stato possibile vedere che la loro posizione era raggruppata attorno alle pompe dell’acqua, e questo ha permesso di verificare che la causa dell’epidemia era la presenza di agenti biologici nell’acqua.

Tipicamente ormai si usano strumenti informatici, integrati con le tecniche cartografiche classiche, per produrre risultati visuali come mappe o filmati, utili a rappresentare dei fenomeni. Non necessariamente quindi rappresenta fedelmente il territorio: l’obiettivo è rappresentare un evento o fenomeno tenendo conto dell’aspetto spaziale, ad es. apprezzando la distanza tra diversi eventi, il contenimento di un evento all’interno di un’area, la densità di eventi per unità di superficie…

Le tecniche cartografiche complessivamente costituiscono i Sistemi Informativi Territoriali (SIT) = comprendono non solo i software usati per l’elaborazione di dati geografici (GIS, Geographic Information Systems) ma anche l’insieme di procedure, normative e personale utili a far funzionare il sistema stesso. Nonostante siano due cose diverse, i termini GIS e SIT vengono spesso usati in modo intercambiabile a seconda del contesto. Google Maps e CAD non sono dei GIS, perché mancano le funzionalità di analisi dei dati geografici. Un GIS per essere definito tale deve avere capacità di visualizzazione, di analisi e di gestione dati (immissione, manipolazione, trasformazione, elaborazione in altro formato).

Programma

• Cenni di cartografia;
• Modellazione dati territoriali; i dati territoriali sono di vario tipo, ci sono modelli numerici più adatti a determinate tipologie rispetto che ad altre.
• Introduzione alle basi di dati relazionali; insieme di dati organizzati secondo un modello che ne garantisce la coerenza e specifica che tipo di operazioni è possibile svolgere su di essi e cosa se ne può estrarre (es. tutte le persone con lo stesso nome). Una volta modellati, i dati territoriali possono essere elaborati in vari modi e, nel momento in cui devono essere salvati in modo permanente, esistono alcuni formati di file in grado di custodirli.
• Processi elaborativi di base;
• Analisi spaziale;
• Casi d’uso.

I dati registrati hanno degli attributi che possono essere usati per metterli in relazione tra loro → caratteristiche proprie delle basi di dati.

.shapefile = tabelle di una base dati salvata sul computer. In alternativa al salvataggio su computer, esistono gestori di basi dati più flessibili, che permettono di effettuare un maggior numero di operazioni e gestire volumi maggiori di dati (decine di milioni di punti anziché decine di migliaia) → non si è vincolati al computer ed è possibile accedere ai dati nello stesso momento in cui vi accendono gli altri.

Sistemi Informativi Territoriali (SIT)

I SIT sono strumenti che agevolano l’osservazione dei fenomeni dal punto di vista spaziale, secondo un approccio geografico. Quando si osserva e analizza il mondo che ci circonda, uno dei criteri di analisi è quello della spazialità degli oggetti. I GIS permettono di considerare il punto di vista spaziale in modo sistematico e semplice: ad esempio, si considerano la forma, la posizione degli oggetti e quanto spazio occupano.

Intesa come luogo preciso in cui è collocato l’oggetto (coordinate) ma anche posizione relativa rispetto ad altri oggetti (a contatto, vicino a, a nord/sud di, all’interno di…).

La spazialità delle informazioni viene usata in ogni momento per:

• Scegliere un percorso in auto;
• Stimare il valore di un immobile in base ai luoghi di interesse;
• Verificare il funzionamento cellulare;
• Valutare situazioni militari;
• Mettere a punto un piano d’evacuazione in situazioni di emergenza o dopo una catastrofe.

Può essere messo a punto per giudizio esperto. Esempio esondazione: sulla base degli eventi passati è possibile determinare dove potrebbe avvenire la prossima. Nel momento in cui il fiume esonda, l’acqua arriva ad un certo punto dopo un certo lasso di tempo e con un certo livello di piena; sulla base di queste informazioni e dell’elevazione del suolo è possibile stimare quali punto verrebbero coperti dall’acqua, utilizzando simulazioni effettuate con strumento automatici. Confrontando le zone allagata con i percorsi di fuga pianificati, si determina quali rimangono agibili e quali no.

Il punto di vista spaziale fa emergere delle correlazioni che altrimenti potrebbero non essere evidenti. Esempio di analisi territoriale:

→ si ha una tabella con i campi lista comuni, emissioni di SO2 e ricoveri per malattie respiratorie. Ricoveri ed emissioni sembrano essere incorrelati (r = 0.38). Tuttavia, l’analisi geografica suggerisce un’altra interpretazione del fenomeno:

Monteventoso Perinello Costamara

Scalterone San Gaudenzio

L’obiettivo di un GIS è quindi visualizzare gli stessi fenomeni da diversi punti di vista. Un GIS permette anche di disegnare mappe e decidere in che modo rappresentare gli oggetti.

Oltre ad analizzare un fenomeno, i GIS possono essere utili anche per selezionare qualcosa di nostro interesse. Esempio di problema intrinsecamente spaziale: scelta di una zona che abbia le caratteristiche richieste per un certo tipo di attività, → in questo caso un nuovo centro commerciale gli input sono la regione in cui si deve situare l’attività e una lista di requisiti. A partire da questi input si produce come output una lista ordinata di siti, ciascuno con un punteggio associato. I requisiti possono essere, ad esempio, la distanza minima da una città/un aeroporto, la quantità di strade nei dintorni, la distanza da zone industriali, l’assenza di rischio di inondazione… Per verificare queste indicazioni sono necessari alcuni dati di supporto sull’utilizzo del territorio (occorre sapere dove sono gli aeroporti, le zone industriali…). A questo punto si può procedere manualmente, controllando le distanze sulla mappa per ogni singolo sito, o si può utilizzare un GIS, caricando dei layer (→ fonti di dati di cui si ha bisogno) di vario tipo e servendosi di tecniche informatiche per selezionare i dati di interesse. Attraverso strumenti automatici si possono trasformare i criteri qualitativi in criteri quantitativi → un criterio vago come “zona ben servita da strade” può essere trasformato in qualcosa di più specifico come “zona in cui ci sia almeno tot lunghezza di strada per km²”. Quest’ultimo requisito è effettivamente quantificabile e può contribuire a definire un punteggio tramite una formula matematica che lo calcoli automaticamente. Un’analisi qualitativa indica, ad esempio, che una data area si trova vicino ad un porto, mentre un’analisi quantitativa indica esattamente quanti chilometri dista.

Altri esempi: trovare tutti i terreni in vendita con determinate caratteristiche, tutte le zone abitate da più di un certo numero di persone che siano situate lungo una strada molto trafficata…

I requisiti possono essere espressi direttamente con una richiesta al sistema, un’interrogazione. Ad esempio: quali sono gli appezzamenti di terra in vendita per i quali sono soddisfatte le condizioni dei criteri? Queste interrogazioni tengono conto del posizionamento spaziale degli oggetti e possono considerare oggetti provenienti da diverse fonti. Esempio: si cercano le zone ad alta densità di popolazione situate vicino ad una strada trafficata (rappresentata come una linea); sul sito Istat si trovano i dati relativi alla popolazione, con granularità molto fine 1. I dati relativi alla popolazione vengono utilizzati in combinazione con i poligoni che ne rappresentano la posizione, i quali permettono di contestualizzare i dati censuari dal punto di vista geografico.

Una volta definito il contesto geografico, è possibile correlare dei dati con qualsiasi altro dato che abbia anch’esso un suo contesto geografico. L’informazione geografica permette l’utilizzo di dati eterogenei, funzionando come una chiave universale: permette di mettere insieme fonti diverse, in quanto legata alla posizione univoca degli oggetti nel mondo.

Le coordinate delle posizioni vengono rappresentate secondo un sistema di riferimento. Data una coppia latitudine-longitudine che identifica una posizione, la distanza tra due posizioni può essere misurata correttamente solo se entrambe sono espresse dallo stesso tipo di coordinate, con lo stesso sistema di riferimento basato sullo stesso geoide. I sistemi di riferimento sono standardizzati e i dati possono essere convertiti dall’uno all’altro (in modo più o meno preciso a seconda dei sistemi di origine e di destinazione).

I SIT si servono di un insieme di tecnologie per supportare l’approccio geografico nell’analisi dei problemi. I SIT comprendono però anche l’organizzazione dei dati e del lavoro finalizzato al trattamento dei dati stessi. Complessivamente, quindi, sono un insieme di aspetti tecnologici e organizzativi che hanno come obiettivo il trattamento della componente spaziale dell’informazione.

A seconda del contesto, per GIS si può intendere:

• Un software in grado di gestire genericamente dati georeferenziati;
• Un insieme di procedure per il trattamento di dati georeferenziati;
• Un’applicazione formata da hardware + software + procedure + competenze tematiche in grado di acquisire, gestire, elaborare e rappresentare dati georeferenziati (→ accezione più vicina al significato proprio del termine SIT).

Un isolato include 800-1000 abitanti. In campagna le zone sono larghe e diventano sempre più strette man mano che la popolazione si densifica. 1

Esistono software in grado di gestire dati spaziali che però non sono dei GIS, in quanto hanno scopi diversi dalla gestione dell’aspetto geografico (ad es. sono orientati prevalentemente al disegno anziché all’analisi spaziale, come i CAD, permettono solo la visualizzazione di mappe, come Google Maps, o non sono adatti a gestire sistemi di riferimento geografici).

Sistemi informativi territoriali

Relativi alla gestione di informazioni. I dati hanno a che vedere con dati territoriali, relativi al territorio. Le operazioni che vi si svolgono sono, ad esempio, trovare la vicinanza, l’adiacenza, la visibilità di un punto da un altro, la presenza di ostacoli nel mezzo…

Sono pensati per essere elaborati e trasformati al fine dell’interpretazione e dell’utilizzo. L’elaborazione richiede la presenza di un operatore con competenze informatiche e applicative, oltre che banche dati e programmi appositi.

Tutti questi dati hanno come radice comune l’essere georeferenziati (riferiti al territorio) e possono essere messi in relazione tra loro indipendentemente dalla loro origine e dal loro modello, per mezzo sia di altri dati non geografici a loro associati sia della loro stessa posizione.

Non si tratta solo di semplice elaborazione dati. Il contesto è caratterizzato da grande eterogeneità e funziona grazie ad accordi stabiliti tra diversi agenti in merito a come operare per un determinato scopo → necessità di integrare dati diversi, partecipazione di più soggetti (persone ed istituzione), diverse competenze, interdisciplinarietà. Software informatici sono inseriti in un sistema gestionale che descrive il flusso completo di trattamento dei dati.

Spesso non sono direttamente pensati per avere una connotazione geografica, bensì sono il prodotto collaterale di altri tipi di attività. Esempio: dati posizione nei cellulari, sistemi di anticollisione nelle navi (che trasmettono costantemente posizione/direzione/velocità → c’è un’informazione geografica perché vengono trasmesse coordinate ma l’obiettivo non è l’analisi geografica).

Tipo di dato = dominio all’interno del quale un dato può assumere un valore. Ad esempio, i numeri interi sono uno specifico insieme; “essere di tipo intero” costituisce una variabile: non si sa che valore abbia quella variabile in generale, ma ci si aspetta che contenga un intero. Nel momento in cui due variabili contengono dati di tipo intero, è possibile svolgere tra quelle due variabili operazioni consentite per gli interi (somma, moltiplicazione…) e ottenere un nuovo risultato che è a sua volta un intero. Per ciascun tipo di dato (testuale, date…) sono possibili determinate operazioni. Nel caso di dati geografici, le operazioni specifiche comprendono misurare la distanza tra due posizione, misurare l’area di una posizione, valutare se due elementi sono adiacenti, se un elemento è visibile da una certa posizione… Queste operazioni sono rese possibili dalla tipologia di dato che si sta trattando e hanno significato per questa specifica tipologia.

Per costruirli sono necessarie competenze tecnico-informatiche: programmazione, scrittura del software GIS, multimedialità, networking, computer graphics, database… Contesto applicativo multidisciplinare (vengono usati da diversi settori), spesso associati a modelli.

Per reperire i dati:

• Telerilevamento (immagini satellitari);
• Statistica.

Sistemi informativi territoriali.

Per interpretarli sono necessarie competenze di cartografia e geodesia → modellazione e rappresentazione.

Per rappresentare efficacemente i risultati ottenuti servono competenze di comunicazione e organizzazione aziendale.

I GIS consentono di effettuare operazioni di vario tipo con i dati geografici (analisi, modifica, visualizzazione). Esempi di settori applicativi della tecnologia GIS:

• Geomarketing: analisi dei bacini d’utenza aziendale e dell’eventuale sovrapposizione coi bacini della concorrenza. Il primo step è l’applicazione di uno sfondo per visualizzare il contesto geografico. Il secondo step prevede il posizionamento degli elementi di interesse, ovvero i siti dell’azienda e i poligoni di forma irregolare ottenuti sulla base delle informazioni relative alla rete di trasporti → si parte da delle posizioni e da un’analisi di raggiungibilità (cosa è raggiungibile in un’ora, cosa con i mezzi pubblici…). Sfondo, siti e poligono fanno ciascuno parte di un layer (livello) = gruppo di contenuto omogeneo che può essere visualizzato o meno, e visualizzato secondo specifiche regole. Esempio: layer contenente i dati dell’idrografia, rappresentati con tratti blu di larghezza proporzionale al flusso, o all’importanza, o qualunque altro criterio purché uniforme all’interno dello stesso layer. Successivamente si può procedere all’estrazione automatica di zone con determinate caratteristiche, ad esempio le zone di intersezione.
• Analisi di mercato: analisi della capacità di attrarre la clientela e confronto con strutture concorrenti. Anche in questo caso si parte dai punti vendita e dalle linee isotone che rappresentano i luoghi raggiungibili in un dato tempo dal punto di partenza. Dalla presenza di una certa zona all’interno di un’isotona si ricavano informazioni sul tempo di raggiungibilità.
• Analisi ambientale: ad esempio la simulazione di un’esondazione utilizzando modelli numerici. Il risultati dell’esecuzione di questi modelli deve essere visualizzato → si devono fornire al software delle informazioni di base (elevazione del suolo…), che in seguito vengono esportate e applicate alla simulazione; infine, si importano i risultati per produrre delle immagini (in questo caso una sequenza di immagini combinate in un’animazione).
• Turismo e valorizzazione dei beni culturali: un GIS può essere usato per produrre delle immagini tridimensionali in cui appaiano indicati determinati oggetti, ad esempio un percorso di interesse turistico rappresentato sulla mappa con una linea. Successivamente, ci si può servire di immagini satellitari e informazioni altimetriche per fare una ricostruzione tridimensionale del suolo con i rilievi presenti.
• Progettazione: valutazione dell’impatto ambientale di una nuova struttura.
• Controllo del territorio: la combina