Introduzione ai sistemi di georeferenzazione

Potenza 15/10/2009
Relatore: Giovanni Telesca
La necessità di gestire grandi volumi di informazioni, provenienti
da molteplici fonti e organizzati secondo sistemi di
georeferenziazione diversi per caratteristiche e accuratezza,
rende imprescindibile la trasformazione di tali dati in modo da
esprimerli su una medesima base cartografica riconducendoli al
medesimo sistema di georeferenziazione.
Relatore: Giovanni Telesca
DATI GEOGRAFICI
possono provenire da svariate fonti e
la loro produzione è legata
all’utilizzo di strumenti tecnici di vario
genere.
scannerizzazione digitalizzazione
input da tastiera e mouse
telerilevamento
fotografia aerea
Relatore: Giovanni Telesca
DATI ATTRIBUTO
possono provenire da svariate fonti
(censimenti, anagrafe, campagne di
rilevamento, indagini di settore,
ricerche, archivi di vario genere,
ecc.).
Si tratta in prevalenza di dati
numerici e alfanumerici
memorizzati sotto forma di tabelle ma
possono essere anche documenti
complessi che prevedono
l’integrazione di immagini e suoni.
Relatore: Giovanni Telesca
INTEGRAZIONE TRA DATI
SPAZIALI E DATI ATTRIBUTO
Relatore: Giovanni Telesca
Sistemi di riferimento
Relatore: Giovanni Telesca
Cos’è un sistema di riferimento?
Cos’è un sistema di riferimento?
Un sistema di riferimento (SR) è un insieme di regole e misure
per la determinazione delle posizioni spazio temporali di un
qualsiasi punto sulla Terra.
Relatore: Giovanni Telesca
La forma della terra
La Terra somiglia molto ad una sfera, ma in realtà non lo è, considerarla
tale porterebbe ad un’approssimazione che in alcuni casi è accettabile, ma
in altri risulta troppo grossolana.
La Terra ruotando su se stessa, fa si che tutti i corpi che si trovano sulla superficie
sono soggetti all'azione della forza centrifuga.
Questa è una forza che agisce in direzione perpendicolare all'asse di rotazione ed è
diretta verso l'esterno.
Il suo valore aumenta via via che ci si allontana dall'asse e cresce con l'altitudine e
diminuisce con la latitudine.
Essa è nulla ai poli, essendo questi ultimi situati sull'asse di rotazione ed è massima
all'equatore dove si ha che la distanza dall'asse di rotazione risulta essere massima.
Relatore: Giovanni Telesca
La forma della terra
La forza centrifuga, contribuisce a determinare lo schiacciamento polare e il
rigonfiamento equatoriale e contrasta parzialmente la forza di attrazione
gravitazionale
Per descrivere l’esatta posizione di un punto sulla superficie terreste
ci si riferisce, pertanto, a modelli geometrici che possano essere
trattati matematicamente in fase di produzione cartografica
Relatore: Giovanni Telesca
La forma della terra
IL GEOIDE
I geodeti assumono come superficie matematica della Terra il geoide, ovvero la
superficie perpendicolare alle linee di forza del campo gravitazionale.
Ne esistono infinite di tali superfici. Per l’Italia venne scelta quella passante per un
determinato punto fisico costituito del livello medio del mare in un punto del porto di
Genova.
Relatore: Giovanni Telesca
La forma della terra
L’ELLISSOIDE DI ROTAZIONE
Nonostante il geoide abbia un preciso significato fisico, esso non può essere preso
come superficie di passaggio tra la superficie fisica della Terra ed il piano della
proiezione a causa dell’eccessiva complessità matematica nel definire l’equazione che
lo govera. Al suo posto viene considerato l’ellissoide di rotazione.
Per definire la forma di un ellissoide vengono dati alcuni parametri fondamentali
come il semiasse maggiore (a) e l’eccentricità (e^2).
Nel corso degli anni diversi ellissoidi sono stati definiti ed utilizzati per la definizione
dei sistemi di riferimenti.
Il sistema nazionale italiano e il sistema GPS adottano due differenti ellissoidi.
Relatore: Giovanni Telesca
Misura di quanto l’orbita devia da
un cerchio
Relatore: Giovanni Telesca
COMPOSIZIONE DI UN SISTEMA GEODETICO - CARTOGRAFICO
DATUM
GEODETICO
Caratteristiche
necessarie per definire
un sistema di
RIFERIMENTO
RETI DI
INQUADRAMENTO
ASSOCIATE
ELLISSOIDE
ORIENTAMENTO
EPOCA DETERMINAZIONE
TIPO
GEODETICO - CARTOGRAFICO
SISTEMI
CARTOGRAFICI
ASSOCIATI
Relatore: Giovanni Telesca
PROIEZIONE
ZONE DI VALIDITA’
Si definisce DATUM geodetico un sistema di riferimento che permette di
esprimere in termini matematici la posizione di punti della superficie fisica della
Terra o prossimi ad essa.
Un datum è quindi definito da un ellissoide che approssima la forma della terra e dalla
posizione relativa dello stesso rispetto al centro della terra
E' possibile definire un datum in diversi modi; va però subito osservato che la
definizione ha carattere convenzionale, e nella pratica è legata a una serie di punti
materializzati sulla superficie terrestre, che costituiscono una “RETE DI
INQUADRAMENTO” ai quali vengono attribuiti determinati valori delle coordinate (tale
operazione costituisce la cosiddetta realizzazione del datum).
A OGNI DATUM è ASSOCIATA UNA RETE DI INQUADRAMENTO ASSOCIATA
Relatore: Giovanni Telesca
A seconda dei valori dei semiassi e delle eccentricità si possono avere diversi
ellissoidi. Nel tempo sono stati utilizzati innumerevoli ellissoidi di riferimento ciascuno
adatto ad approssimare una particolare porzione della superficie terrestre
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
DATUM
GEODESIA CLASSICA:
DATUM LOCALI
DATUM
GEODETICI
GEODESIA SATELLITARE:
DATUM GLOBALI
Utilizzo dell’ellissoide a orientato
localmente a seconda del
territorio in studio (approssima il
geoide solo in un intorno del
punto di emanazione)
Utilizzo dell’ellissoide
geocentrico valido per tutto il
mondo
(approssima il geoide nel
complesso)
DATUM ALTIMETRICI
Utilizzo del geoide per definire le
quote altimetriche
(altezza geoidica)
Relatore: Giovanni Telesca
DATUM
Datum locali vengono utilizzati
nella rappresentazione di parti
ristrette della terra (nazioni) per
garantire una migliore
approssimazione locale.
L’ellissoide tende a sovrapporsi
al geoide
I’ellissoide che utilizza il SISTEMA
NAZIONALE è lo stesso che utilizza il
sistema ED50 solo che sono orientati in
maniera diversa.
S.N.
ellissoide : Internazionale (Hayford)
Orientamento: Roma M.Mario 1940
ED50
ellissoide : Internazionale (Hayford)
Orientamento: Medio europeo 1950
Relatore: Giovanni Telesca
DATUM
Nella geodesia satellitare
(attualmente basata principalmente
sul sistema GPS) si utilizzano
datum geodetici di tipo globale,
validi cioè per tutto il mondo; si
differenziano in questo da quelli
della geodesia classica, che come
si è visto avevano validità locale,
anche se a volte per zone molto
grandi.
Relatore: Giovanni Telesca
DATUM
Relatore: Giovanni Telesca
DATUM
Relatore: Giovanni Telesca
DATUM
DATUM ALTIMETRICO
Misura di quanto l’orbita devia da
un cerchio
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DATUM
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ASSEGNATO UN DATUM GEODETICO
(ELLISSOIDE DI RIFERIMENTO)
su di esso è possibile esprimere la
posizione di un punto mediante diversi
sistemi di coordinate
Relatore: Giovanni Telesca
Sistemi di Coordinate
Sistemi riferimento, costituiti da un insieme punti, linee e/o superfici oltre ad un
insieme di regole, usati per definire la posizione di punti nello spazio in due o tre
dimensioni
Coordinate geografiche
ellissoidiche
PRINCIPALI
SISTEMI DI
COORDINATE
Coordinate cartesiane
geocentriche o “ellissocentriche”
Coordinate cartesiane locali
(euleriane)
Coordinate geodetiche polari ortogonali
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
ASSEGNATO UN DATUM GEODETICO
(ELLISSOIDE DI RIFERIMENTO)
ASSEGNATO UN SISTEMA DI COORDINATE
SPAZIALI (3D)
OGNI PUNTO DELL’ELLISSOIDE APPARTIENE
AL SISTEMA DI RIFERIMENTO 3D
Relatore: Giovanni Telesca
IL PROBLEMA DELLE COORDINATE
SFERICHE
•Il sistema latitudine/longitudine è poco pratico per piccole distanze.
•La lunghezza di un arco non è costante.
•La rappresentazione cartografica è tipicamente planare e non sferica.
Come trasformare le coordinate sferiche in piane?
CON LE PROIEZIONI GEOGRAFICHE
Relatore: Giovanni Telesca
SI PUÒ PENSARE, COME ESEMPIO AD UNA FONTE
LUMINOSA POSIZIONATA AL CENTRO DEL GLOBO
CHE PROIETTA LA LUCE ATTRAVERSO LA
SUPERFICIE
TERRESTRE
SUL
PIANO
DI
PROIEZIONE
map
q
earth’s surface
Relatore: Giovanni Telesca
La creazione di una carta geografica bi-dimensionale a partire dalla
superficie tri-dimensionale della terra necessita di una
trasformazione matematica che prende il nome di proiezione
cartografica
Tale processo consiste nel mettere in relazione matematica le
coordinate geografiche sull’ellissoide con le coordinate planari della
carta
Relatore: Giovanni Telesca
Durante il processo di proiezione dei dati reali su un
foglio di carta sono introdotti inevitabilmente degli
errori. Anche i più accurati sistemi di proiezione
comportano distorsioni di almeno una delle
caratteristiche geografiche: forma, area, angoli,
direzione, distanza.
Per ridurre al minimo lo scarto fra due superfici è necessario:
rinunciare a riprodurre contemporaneamente tutta la superficie
della terra
limitare la riproduzione a singole porzioni di territorio, ed adottando
per esse, di volta in volta, i sistemi di maggior efficacia.
Relatore: Giovanni Telesca
Fra le tante proiezioni esistenti, nessuna proiezione è
perfetta, e occorre scegliere fra ciò che si vuole
conservare corretto e ciò che si può accettare di
deformare.
Questa scelta è d’ordine pratico e dipende
dall’utilizzo che si dovrà fare della carta.
Esempio: per orientarsi con la bussola, occorrono
carte che conservino le direzioni.
Relatore: Giovanni Telesca
Tipi di carta geografica rispetto alle proiezioni
Isogonica o conforme:
quando conserva sulla carta gli angoli che una
data direzione forma con i meridiani e i paralleli.
TIPOLOGIE DI
CARTE
GEOGRAFICHE
Equidistante:
quando le distanze della carta sono proporzionali
a quelle corrispondenti sulla sfera terrestre.
.
Equivalente:
quando sono proporzionali le superfici.
Afilattica:
quando vengono minimizzati, ma non
eliminati, tutti e tre i tipi di deformazione.
Relatore: Giovanni Telesca
Tipi di proiezioni
PROIEZIONI
PURE O VERE
seguono fedelmente i principi della
geometria proiettiva
.
TIPOLOGIE DI
PROIEZIONI
PROIEZIONI DI
SVILUPPO
adottano superfici ausiliarie cilindriche
o coniche e poi vengono sviluppate
Relatore: Giovanni Telesca
PROIEZIONI VERE O PURE
Si supponga un globo sferico trasparente che
riproduca in scala la terra (mappamondo) si
immagini ora di scegliere un punto di vista
opportuno (Centro di proiezione) posto al centro
della terra, al polo, o all’infinito.
Si conducano da questo centro i raggi visuali su
tutti i punti della superficie del globo.
I punti d’intersezione di questi raggi con una
superficie piana, convenientemente scelta,
determinano una rappresentazione cartografica;
così facendo si è in grado di tracciare il reticolo
dei meridiani e dei paralleli.
Relatore: Giovanni Telesca
PROIEZIONI DI SVILUPPO
Si ottengono dalla proiezione di elementi reali su una
superficie curva che sia sviluppabile su un piano senza
deformarsi.
Il centro di proiezione è il centro del globo ma il piano di
proiezione viene sostituito da un solido geometrico quale
il cilindro o il cono.
Nella proiezione cilindrica la superficie sferica del globo
viene proiettata su un cilindro verticale che fascia il
globo stesso (tangenza tra i due solidi all’equatore), o su
un cilindro orizzontale (tangenza dei due solidi su un
meridiano e sul suo antimeridiano).
Nel caso della proiezione conica il globo risulta
idealmente avvolto da un cono il cui asse coincide con
l’asse terrestre.
Questi tipi di proiezione possono non rispettare le regole
della geometria proiettiva; nel quale caso alcuni
parametri vengono variati matematicamente per ridurre
le deformazioni inserite nella proiezione stessa.
Relatore: Giovanni Telesca
Nell’attuale cartografia i sistemi di proiezione più in
uso sotto l’aspetto topografico sono:
rappresentazione “diretta di Mercatore”
rappresentazione “trasversa di Mercatore” o di “Gauss”
Relatore: Giovanni Telesca
Proiezione cilindrica diretta di Mercatore
Il primo tipo di carta che adotta un metodo di taglio matematico,
è la rappresentazione diretta di Mercatore che rispetta gli angoli
fra meridiani e paralleli.
Meridiani e paralleli sono segmenti di retta che si intersecano
ortogonalmente. I meridiani sono regolarmente equidistanti
mentre lo spazio fra i paralleli aumenta con la latitudine; questo è
dovuto al fatto che si tratta di una rappresentazione in cui il
centro di proiezione è virtualmente posto al centro della sfera di
cui si proietta l’immagine su di un cilindro verticale tangente alla
sfera stessa.
Mentre i meridiani, proiettati dal centro sono equidistanti, i
paralleli si distanziano procedendo dall’equatore verso i poli; una
carta di questo tipo conserva l’angolo fra qualsiasi elemento
della superficie e i meridiani, e pertanto è una proiezione
veramente conforme mentre le superfici si deformano sempre
più con l’avvicinarsi ai Poli.
I limiti di questa proiezione sono da riscontrarsi nella
impossibilità di restituire in carta i Poli e le regioni
circumpolari; le regioni di maggiori latitudini sono
graficamente dilatate rispetto a quelle di latitudini basse.
Relatore: Giovanni Telesca
Proiezione cilindrica diretta di Mercatore
Relatore: Giovanni Telesca
Proiezione cilindrica inversa di Mercatore o di Gauss
Si può immaginare come derivata dalla proiezione dei punti dal
centro dell’ellissoide di riferimento su un cilindro tangente ad un
meridiano, detto meridiano centrale. Viene usato il termine
rappresentazione di Gauss invece di proiezione in quanto il
risultato è ottenuto più per via matematico-analitica che
geometrica. È una proiezione pseudocilindrica (analiticamente
modificata) con asse del cilindro nel piano equatoriale, per cui si
possono utilizzare infiniti cilindri diversi, tangenti agli infiniti
meridiani che si possono tracciare sul globo. La cartografia di
Gauss è conforme, e pertanto gli angoli misurati sulla carta
corrispondono perfettamente con i corrispondenti angoli misurati
sul terreno; le lunghezze misurate sulla carta sono invece
deformate rispetto a quelle misurate sulla superficie di
riferimento. In questo tipo di proiezione meridiani e paralleli
risultano linee curve e le deformazioni che vengono introdotte
aumentano progressivamente spostandosi di longitudine, dal
meridiano di tangenza verso est e verso ovest. Per limitare le
deformazioni, le rappresentazioni cartografiche usualmente
utilizzate limitano l’estensione del fuso (porzione di ellissoide
compresa tra due meridiani) che viene rappresentato in un unico
sistema.
Relatore: Giovanni Telesca
La CARTA DI GAUSS è un sistema di coordinate piane NORD,
EST che associano due funzioni f e g
N
P
E= g(j,l)
j
P’
N= f (j,l)
l
E
Dato un generico punto P
sull’ellissoide di
coordinate P (j,l)
Le coordinate della sua proiezione P’ sulla
carta di Gauss sono
E= g(j,l)
N= f (j,l)
Le funzioni f e g sono molto complesse e realizzano particolari condizioni
Relatore: Giovanni Telesca
RAPPRESENTAZIONE DI GAUSS
CONDIZIONI DELLA PROIEZIONE
il meridiano origine delle longitudini deve trasformarsi
nell’asse N
1
2
l’Equatore ellissoidico deve trasformarsi nell’asse E
un arco di lunghezza m sul meridiano origine deve
trasformarsi in un segmento di pari lunghezza
3
un angolo a formato da due direzioni uscenti da un punto
sull’ellissoide deve mantenersi uguale all’angolo formato
dalle corrispondenti direzioni riportate sulla carta
4
il coefficiente di deformazione m varia da punto a punto ma è
uguale per tutte le direzioni uscenti da un punto
5
Relatore: Giovanni Telesca
P (j,l)
j
l
Le funzioni f e g della proiezione di Gauss
E= g(j,l)
N= f (j,l)
realizzano le condizioni prima esposte
proiettando i punti della superficie ellissoidica su un cilindro
N
O
E
Relatore: Giovanni Telesca
RIASSUMENDO
ASSEGNATO UN DATUM GEODETICO
(ELLISSOIDE DI RIFERIMENTO)
ASSEGNATO UN SISTEMA DI COORDINATE
SPAZIALI (3D)
ASSEGNATO IL TIPO DI PROIEZIONE
E’ POSSIBILE DEFINIRE UN SISTEMA DI
RAPPRESENTAZIONE PIANA CARTOGRAFICA
Relatore: Giovanni Telesca
I PRINCIPALI SISTEMI DI RAPPRESENTAZIONE SONO:
U.T.M.
GAUSS - BOAGA
U.T.M. WGS
Relatore: Giovanni Telesca
IL SISTEMA NAZIONALE È IL SISTEMA GAUSS-BOAGA
UNIVERSAL TRASVERSE MERCATOR
Il sistema UTM nasce per risolvere problemi relativi a:
UNIFICAZIONE DELLE RETI GEODETICHE
NORMALIZZAZIONE DELLE RAPPRESENTAZIONI
IL SISTEMA U.T.M. WGS NASCE PER I SISTEMI SATELLITARI
Relatore: Giovanni Telesca
RAPPRESENTAZIONE GAUSS - BOAGA
Relatore: Giovanni Telesca
RAPPRESENTAZIONE U.T.M.
Relatore: Giovanni Telesca
RAPPRESENTAZIONE U.T.M.
Relatore: Giovanni Telesca
RAPPRESENTAZIONE U.T.M.
Relatore: Giovanni Telesca
RAPPRESENTAZIONE U.T.M.
Relatore: Giovanni Telesca
SISTEMI DI RAPPRESENTAZIONE UTILIZZATI IN ITALIA
GAUSS- BOAGA
U.T.M.
Relatore: Giovanni Telesca
U.T.M./WGS
PRINCIPALI SISTEMI GEODEDICI E CARTOGRAFICI USATI IN ITALIA
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
Relatore: Giovanni Telesca
RILEVAZIONE DATI SPAZIALI
Prima di cominciare a rilevare un dato bisogna capire in che modo (cioè in quale sistema)
questo sarà rappresentato così da impostare lo strumento rilevatore in modo tale da evitare
trasformazioni, sia di coordinate che di datum.
Il Ministero della Salute per la georeferenziazione delle Aziende, ha scelto il sistema di
riferimento avente le seguenti caratteristiche:
DATUM ----- WGS84
SISTEMA DI COORDINATE GEOGRAFICHE ----- Lat/Long espresse in gradi decimali
SISTEMA DI COORDINATE PIANE ----- UTM – WGS84
AL FINE DI FORNIRE UN DATO ESATTO E DI NON ESEGUIRE TRASFORMAZIONI DI DATUM
O COORDINATE BISOGNA IMPOSTARE IL RICEVITORE GPS IN MODO DA RISPETTARE I
SUDDETTI PARAMETRI
Relatore: Giovanni Telesca
RILEVAZIONE DATI SPAZIALI
ESEMPIO DI IMPOSTAZIONE SISTEMA DI RIFERIMENTO
STRUMENTO UTILIZZATO: GPS Magellan eXplorist 100
DA MENU’ PREFERENZA SELEZIONIAMO IL SISTEMA DI COORDINATE E SCEGLIAMO:
Relatore: Giovanni Telesca
RILEVAZIONE DATI SPAZIALI
ESEMPIO DI IMPOSTAZIONE SISTEMA DI RIFERIMENTO
STRUMENTO UTILIZZATO: GPS Magellan eXplorist 100
DA MENU’ PREFERENZA SELEZIONIAMO L’ORIGINE DELLA MAPPA E CONTROLLIAMO CHE SIA IMPOSTATO SU
WGS84:
Relatore: Giovanni Telesca
RILEVAZIONE DATI SPAZIALI
SETTATO LO STRUMENTO POTREMO LEGGERE IL VALORE DELLA COORDINATA E
SUCCESSIVAMENTE INSERIRLO NEL NOSTRO DATABASE GEOGRAFICO
I valori di latitudine e longitudine possono essere impostati utilizzando i seguenti
formati:
I valori di latitudine e longitudine possono essere impostati utilizzando i seguenti
formati:
Gradi decimali (DDD): in questa notazione la precisione decimale è impostata nella
coordinata dei gradi, ad esempio, 49.11675953666N.
Gradi, minuti e secondi (DMS): in questa notazione la precisione decimale è
impostata nella coordinata dei secondi, ad esempio, 49 7'20.06"N.
Gradi e minuti con secondi decimali (DMM): in questa notazione la precisione
decimale è impostata nella coordinata dei minuti, ad esempio, 49 7.0055722"N. In
questo caso, il valore precedente di 20,06 secondi viene diviso per 3600 per
ottenere il valore in minuti decimali per 20,06 secondi.
Relatore: Giovanni Telesca
RILEVAZIONE DATI SPAZIALI
Se lo strumento lo permette settiamo la restituzione Lat/Long in formato decimale così da
poter immettere il valore letto direttamente nel database geografico senza eseguire
trasformazioni, altrimenti bisogna eseguire la conversione in decimale
Relatore: Giovanni Telesca
RILEVAZIONE DATI SPAZIALI
Se lo strumento lo permette settiamo la restituzione Lat/Long in formato decimale così da
poter immettere il valore letto direttamente nel database geografico senza eseguire
trasformazioni, altrimenti bisogna eseguire la conversione in decimale
Relatore: Giovanni Telesca