Topografia, Cartografia e GIS

Topografia, Cartografia e GIS
Prof. Carlo Bisci
Modulo Topografia e Cartografia (6 CFU)
3
La cartografia
ufficiale italiana
Per fare cartografia è necessario fissare:
il sistema di riferimento (datum): scelta
dell’ellissoide e orientamento
la rete di punti e misure che realizzano il
sistema di riferimento
il tipo di rappresentazione cartografica ed
i parametri di applicazione
Primo sistema di riferimento italiano
Il primo sistema di
riferimento nazionale fu
istituito in Italia alla fine
dell‟800:
ellissoide di Bessell
orientato in tre punti diversi
(Genova, M. Mario e
Castanea delle Furie),
usando tre sistemi di
riferimento diversi;
rete di triangolazione
compensata a blocchi tra il
1908 e il 1919;
proiezione di Flamsteed
(policentrica) modificata;
Rete fondamentale 1908-1919
Sistema di riferimento catastale
Teoricamente, non è più in uso:
ellissoide di Bessel;
orientamento a Genova Istituto
Idrografico della Marina
(definizione astronomica 1902):
rete di triangolazione IGM +
triangolazione catastale
Proiezione Cassini Soldner
(cilindrica trasversa) con 32 origini
differenti, ciascuna riferita al
meridiano passante per il centro di
riferimento
Suddivisione in 32 zone
Sistema di riferimento catastale
La carta catastale basata sulla proiezione afilattica di Cassini-Soldner, entro un
raggio di circa 70 Km presenta una deformazione lineare massima del 0,006%
nella direzione del meridiano, e nulla nella direzione del parallelo.
Negli ambiti in cui
è utilizzata è
praticamente
equivalente
(caratteristica che
la rende
interessante per
gli usi catastali).
Data la variabilità
locale del sistema
di riferimento, il
passaggio ad altri
sistemi non è
agevole.
Sistema di riferimento Roma40
È il sistema ufficiale italiano in uso:
ellissoide Internazionale (o di
Hayford)
orientamento a Roma Monte Mario
(def. astronomica 1940)
rete di triangolazione compensata a
blocchi tra il 1908 e il 1919, usando
un sistema di riferimento provvisorio
Proiezione Gauss-Boaga su due fusi
(Est e Ovest)
Rete fondamentale Roma40
Sistema di riferimento ED50
È un sistema realizzato per
rendere omogenea la cartografia
a piccola e media scala a livello
europeo:
ellissoide Internazionale (o di
Hayford)
orientamento medio europeo
1950
origine delle longitudini
Greenwitch
Proiezione UTM su tre fusi (32,
33 e 34)
È associato alla rappresentazione
cartografica UTM-ED50 ed è
usato per il taglio della nuova
cartografia ufficiale italiana.
Rete europea 1950
Gauss Boaga Roma 40 - UTM ED 50
La cartografia ufficiale italiana riporta entrambi i reticolati.
Dello stesso punto si ricavano quindi due diversi insiemi di coordinate (planimetriche)
che differiscono per:
diversi parametri della proiezione
(sempre Gauss, ma false origini
diverse)
diverso datum (stesso ellissoide ma
orientato diversamente)
diversa compensazione delle reti che
materializzano il datum.
Per questo motivo il passaggio di tra
sistemi si fa con espressioni
approssimanti (polinomi) valide in ambito
locale.
Sistema di riferimento WGS84
È un sistema cartesiano con asse z coincidente con l‟asse di rotazione
convenzionale terrestre, con un‟ellissoide associata:
ellissoide WGS84
realizzazioni (usano reti GPS
diverse):
globale: Dipartimento delle
Difesa USA
europea: EUREF89=ETRF89
italiana: IGM95
È il sistema di riferimento
utilizzato dal sistema GPS.
Sistema di riferimento ETRS89
La superficie della Terra si modifica continuamente; periodicamente si devono
quindi rideterminare le reti che materializzano un sistema di riferimento.
Nel periodo 1984 - 1998 il centro di
massa terrestre si è spostato
di circa 2 m (rispetto al sistema di
riferimento delle stelle fisse);
nel sistema IERS il continente
europeo si sposta di circa 3 cm
all‟anno in direzione nord-est.
L‟ETRS89 è materializzato dalla
sottorete europea delle stazioni
dell‟ITRF determinate nel 1989
(ETRF89).
Vengono pubblicate realizzazioni
annuali chiamate ETRFXX, dove
XX indica l‟anno in cui è eseguito il
calcolo delle coordinate dei punti,
es. ETRF90, ETRF2001 ecc..
Sistema di riferimento WGS84
La superficie della Terra si modifica continuamente; periodicamente si devono
quindi rideterminare le reti che materializzano un sistema di riferimento.
Anche il WGS84 è periodicamente
aggiornato, le sue realizzazioni
sono indicate con WGS84 (GXXX),
dove G indica che le misure sono
effettuate con il GPS e XXX indica
la settimana GPS in cui la
realizzazione è resa disponibile.
Ad esempio il WGS84 (G730) è
corrisponde all‟inizio della
settimana GPS 730, cioè il 2
gennaio 1994.
Vengono pubblicati anche i vettori
velocità relativi ad ogni stazione,
che hanno spostamenti orizzontali
massimi dell‟ordine di 7 cm/anno.
La rete IGM95
È la realizzazione italiana
del WGS84.
Consiste in una rete di
punti GPS, omogenea per
precisione, che copre
l‟intero territorio nazionale
in modo uniforme.
Per ogni punto sono
fornite:
coordinate nel sistema
ETRS89 (e quindi
WGS84);
parametri di
trasformazione tra
ETRS89 (e quindi
WGS84) e Roma 40 per
zone.
Differenze Roma40
– ED50 – WGS84
I tre sistemi differiscono per
dimensioni (tranne Roma40 ed
ED50) e orientamento dell‟ellissiode.
Le coordinate geografiche dello
stesso punto possono differire anche
di diverse centinaia di metri nei diversi
sistemi.
Per la cartografia a piccola scala le
differenze hanno, all‟interno di un
foglio di cartografia, valore che si può
considerare costante rispetto alla
precisione di determinazione delle
coordinate: l‟IGM ha determinato i
valori di correzione per ogni foglio.
Questi parametri sono calcolati in
modo empirico e non hanno un
preciso significato geometrico.
Sistema di riferimento altimetrico italiano
Le quote sono riferite ad un
geoide (superficie equipotenziale
del campo gravitazionale
terrestre) individuato dal punto di
quota zero del mareografo di
Genova (misure 1937–1946) per
l‟Italia continentale, e di Catania
(misure 1965) e di Cagliari
(misure 1955–1957) per le isole.
Il sistema di riferimento
altimetrico è realizzato dalla rete
di livellazione geometrica di alta
precisione IGM.
Il modello Italgeo 2000, calcolato
dal Politecnico di Milano e
distribuito dall‟IGM nell‟ambito del
consorzio IGES, fornisce l‟altezza
del geoide rispetto all‟ellissoide
WGS84 con errori massimi di
qualche decimetro (10 ppm).
Geoide italiano Italgeo 2000
Le quote sono riferite ad un
geoide (superficie
equipotenziale del campo
gravitazionale terrestre)
individuato dal punto di quota
zero del mareografo di
Genova (misure 1937–1946)
per l‟Italia continentale, e di
Catania (misure 1965) e di
Cagliari (misure 1955–1957)
per le isole.
Il sistema di riferimento
altimetrico è realizzato dalla
rete di livellazione geometrica
di alta precisione IGM.
Gauss-Boaga
• proiezione di Gauss (traversa
di Mercatore)
• due fusi (Est e Ovest) di
ampiezza di circa 6°(con 30' di
sovrapposizione):
– da 6°a 12°27‟08”.4 il fuso
Ovest
– da 11°57‟08”.4 a 18°30‟ il
fusoEst
• coordinate piane Gauss-Boaga
con false origini di 2520 km
(fuso E) e di 1500 Km (fuso O).
• coordinate geografiche con
longitudine riferita al meridiano
di Roma M. Mario.
UTM
Universale Trasversa di Mercatore
Il sistema UTM è un sistema
cartografico valido per tutta la
superficie terrestre.
In questo sistema il globo è
stato diviso in 60 fusi di 6°
gradi di longitudine ciascuno
intorno ad un meridiano di
riferimento, numerati da O a E
a partire dall‟antimeridiano di
Greenwich.
Il pianeta è stato inoltre
suddiviso da 80°N a 80°S in
20 fasce di 8° di latitudine,
indicate
con
le
lettere
dell‟alfabeto inglese da C a X
andando da S a N.
L‟intersezione di fusi e fasce
determina aree dette zone
(individuate da numero del
fuso + lettera della fascia, es.
27Q)
UTM - Universale Trasversa di Mercatore
Il sistema UTM è abbinato, per la rappresentazione delle zone polari (oltre 80°), alla
proiezione stereografica polare centrata sui due poli (UPS - Universal Polar
Stereographic).
UTM - Universale Trasversa di Mercatore
Nel sistema UTM, l‟Italia ricade nei
fusi 32, 33 e, marginalmente, 34;
fasce S e T.
UTM - Universale Trasversa di Mercatore
Nel
sistema
UTM,
vengono
individuati
quadrati di 100 km di lato,
designati con due lettere
indicative della riga e della
colonna.
Carta topografica d'Italia
La carta si compone di 278 elementi
alla scala 1:100’000 denominati
fogli, numerati progressivamente,
che hanno le dimensioni di 30’ in
longitudine e 20’ in latitudine.
È realizzata nella rappresentazione
conforme di Gauss ed inquadrata nel
sistema geodetico nazionale
(ellissoide internazionale, orientato
su Roma M. Mario 1940).
La carta è derivata dai rilievi alla
scala 1:25’000 e ha curve di livello
con equidistanza di 50 metri.
Carta topografica d'Italia
I fogli sono pubblicati in due serie (l‟una esclude l‟altra):
-Serie 100V a 5 colori o, per alcuni fogli, a 7 colori, con l‟orografia a sfumo e curve di
livello (La disponibilità di una esclude l‟altra);
- Serie 100L a 3 colori, con i limiti amministrativi e l‟ubicazione delle sedi comunali in
viola.
Carta topografica d'Italia
Ciascuno dei fogli è
suddiviso in quattro
quadranti in scala
1:50‟000 (ampi 15‟ di
longitudine per 10‟ di
latitudine) designati da
numeri romani da I a IV.
Ciascun quadrante, a
sua volta, è suddiviso in
quattro tavolette in scala
1:25‟000 (ampie 7.5‟ di
longitudine per 5‟ di
latitudine) , designate
dalla posizione.
Le tavolette possono
essere ulteriormente
suddivise in 4 sezioni in
scala 1:10‟000 (ampie
3.75‟ di longitudine per
2.5‟ di latitudine) ,
designate dalle lettere
maiuscole da A a D.
Carta topografica d'Italia
Le tavolette in scala 1:25‟000 (ampie 7.5‟ di longitudine per 5‟ di latitudine) della serie
25 e 25V - rilevate negli anni „50 e ormai obsolete - costituiscono l‟unica copertura
nazionale omogenea completa a scala di dettaglio.
Le versioni più vecchie sono in b/n.
Carta topografica d'Italia
La nuova serie (incompleta) in
scala 1:50‟000, formata da 636
fogli (20' in longitudine e 12' in
latitudine) inquadrati nella
rappresentazione UTM basata
sull‟ED50 è derivata dai rilievi
alla scala 1:25000, ha
l'orografia a sfumo e curve di
livello con equidistanza di 25
metri.
Ciascun foglio è suddiviso in 4
tavolette in scala 1:25‟000.
È pubblicata in due serie:
- serie 50 a 6 colori, con
l'orografia a sfumo e curve con
sovrastampa del reticolato
chilometrico in magenta;
- serie 50/L a 3 colori, con
l'orografia a sole curve e con
sovrastampa dei limiti
amministrativi in viola.
Carta topografica d'Italia
La serie 25DB attualmente in produzione prosegue la precedente serie 25.
La carta si compone di 2298 elementi denominati sezioni, con dimensioni
di 6' in latitudine e 10' in longitudine.
Le “sezioni” sono ottenute mediante stereorestituzione numerica o derivate
dalla cartografia tecnica regionale (CTR) numerica.
Il sistema di riferimento geodetico è l‟ETRS89, che utilizza l‟ellissoide
GRS80, con reticolato chilometrico nella proiezione UTM.
Il contenuto informativo comprende:
• le opere dell‟uomo,
• l‟idrografia,
• la vegetazione
• l‟orografia
• Il disegno è rapportato alla scala. Ove non è possibile si ricorre ad
appropriata simbolizzazione come nel caso delle curve di livello
(equidistanza di 25 m) per la raffigurazione dell‟orografia
• confini di Stato,
• limiti amministrativi regionali, provinciali e comunali.
La stampa è effettuata in quadricromia.
Il taglio geografico di una “sezione” corrisponde a un quarto di “foglio” della
Carta d‟Italia alla scala 1:50.000 e delimita un territorio di circa 150 kmq.
Ortofoto in b/n alla scala 1:5’000 e 1:10’000, ottenute
mediante scansione ad alta risoluzione (1.800 dpi) di
fotogrammi aerei con quota di volo intorno ai 5.000 m
sono disponibili (su CD o su carta) solo per le maggiori
città italiane (capoluoghi regionali e provinciali).
Per l‟ortorettifica viene utilizzato un DTM (modello
digitale del terreno) con passo 20 m per correggere le
variazioni di scala legate all'altimetria.
La georeferenziazione è effettuata con una serie di
punti di controllo (circa 10 GCP per foto), in base ai
quali viene calcolata la funzione di trasformazione che
consente il ricampionamento dell'immagine e
l‟adattamento al sistema di riferimento cartografico
UTM ED50.
La localizzazione dei GCP avviene attraverso l'utilizzo
di cartografia tecnica regionale in scala 1:5.000 e
1:10.000.
Quando l'area è coperta da più fotogrammi questi sono
sottoposti a miglioramento radiometrico tramite
stretching dell'istogramma della distribuzione dei livelli
di grigio.
Per inquadrare l'ortofoto nel sistema di riferimento
scelto e facilitarne l'utilizzo vengono inseriti a margine
il reticolato chilometrico, il reticolato geografico e una
serie di ulteriori informazioni.
Ortofotocarte
Dati digitali vettoriali
I dati sono relativi alle curve di livello, integrate con punti quota, acquisite da cartografia
esistente IGM.
La produzione è stata eseguita mediante scanner e/o digitizer utilizzando i tipi di archivio
e riproducendo fedelmente la geometria ivi presente.
Le relative quote sono state successivamente inserite in modo interattivo.
I dati orografici, a diversa scala, coprono l'intero territorio nazionale come riportato nel
quadro d‟ unione in figura.
Le curve di livello (direttrici, intermedie e ausiliarie) ed i punti quota sono stati integrati
con la linea di costa (proveniente dalla cartografia 1:100 000) e i laghi di maggiore
estensione presenti sulle carte topografiche.
I file sono archiviati per elemento cartografico e le coordinate sono UTM-ED50 nel fuso
di appartenenza.
Il formato di scambio è il dwg.
L‟attuale metodologia di produzione delle curve di livello, prevede l‟acquisizione
direttamente in forma numerica mediante restituzione fotogrammetrica; per
generalizzazione, da cartografia tecnica numerica; da un TIN ottenuto in modo
semiautomatico con restitutori digitali.
Quest‟ultima tipologia di dati è inserita nel DB25 (tema altimetria).
Dati digitali raster
La cartografia IGM, a tutte le scale, è stata convertita in forma digitale mediante
scansione del supporto cartaceo.
Il dato raster, di tipo RGB, ha una risoluzione di 254 dpi, con una dimensione del pixel
quindi dipendente dalla scala della carta (esempio: scala 1:25.000 pixel = 2.5 m, scala
1:50.000 pixel = 5 m).
Per ottenere omogeneità radiometrica lo scanner a rullo è stato impostato, per ogni
scala, con gli stessi parametri.
La successiva correzione geometrica (georeferezazione) mediante uso di punti di
controllo (GCP), permette di relazionare le coordinate immagini con quelle terreno.
I dati relativi agli elementi cartografici sono forniti in proiezione UTM (ED50 o WGS84)
nel fuso di appartenenza e, nel caso di adiacenza, riproiettate anche nell‟altro fuso.
Per tutti i prodotti esistono versioni con ritaglio lungo le cornici (seamless) per facilitare
eventuali mosaicature.
Per l‟utenza ogni dato è disponibile in formato .tiff in scala di colore ad 8 bit con
associato un file di testo (.tfw) contenente i parametri della georeferenziazione.
Fa eccezione la cartografia serie 100, che viene rilasciata in un formato interno
(convertibile in .tiff con software fornito gratuitamente), proiettata solo in UTM-ED50 e
senza ritaglio della cornice.
Cartografia tecnica regionale
Negli ultimi decenni, la produzione delle carte topografiche di base è passata dall‟IGM
alle Regioni, ognuna delle quali ha approntato una carta tecnica regionale in scala
1:10‟000, spesso con stralci a scala minore (1:5‟000 e 1:2‟000), basata sul sistema di
proiezione Gauss Boaga (ED50).
La mancanza di direttive nazionali ha fatto sì che ciascuna Regione elaborasse
autonomamente la propria legenda, rendendo poco confrontabili carte adiacenti prodotte
da Enti diversi.
La mancanza di controlli centrali, inoltre, ha portato a non avere, nelle aree di confine, la
garanzia di omogeneità e continuità del dato.
Le CTR sono disponibili su carta (con contenuti informativi e legende diverse per ogni
Regione) e in formato digitale (diverso da Regione a Regione) presso gli Uffici
cartografici regionali; alcune Regioni consentono di scaricare gratuitamente tanto i dati
vettoriali quanto le basi ortofotografiche, mentre altre li mettono a disposizione solo a
pagamento (somme enormemente diverse da Regione a Regione).
Anche l‟affidabilità dei dati e la data degli aggiornamenti varia fortemente nel territorio
nazionale.