La diffusione dei dati GIS

Gli ultimi studi sui costi/benefici dei Sistemi Informativi Territoriali effettuati nei paesi d'oltre oceano hanno evidenziato una netta riduzione del costo attribuito ai dati rispetto al costo complessivo del sistema.

Si sta gradualmente decrementando la spesa sui dati dal 70% al 20%, favorendo in tal modo la diffusione della tecnologia GIS.

La riduzione della spesa sui dati è dovuta essenzialmente alla grande disponibilità di basi territoriali in forma digitale: dai dati di pubblico dominio degli enti governativi alle banche dati, generate da società private, immesse sul mercato a prezzi decisamente interessanti.

Anche in Italia molti enti pubblici e società private hanno acquisito basi territoriali di particolare interesse per molti potenziali utenti.

In questo senso, una recente iniziativa italiana è stata quella della pubblicazione del catalogo ArcData Italia, nel quale sono presenti dati di diversa tipologia, da coperture geografiche a tabelle di attributi, da modelli digitali del terreno a immagini da satellite.

Tali banche dati sono state sviluppate da ESRI ITALIA, da vari enti pubblici e società private e sono potenzialmente utili in diversi campi di applicazione quali: gestione delle risorse naturali, analisi socio-demografiche, trasporti, pianificazione territoriale, ricerche di mercato, ecc.

Tra i primi dati presenti a catalogo figurano grafi stradali (con la toponomastica e i numeri civici), foto da satellite, indicatori di marketing, cartografia a varie scale di alcune regioni (limiti amministrativi, idrografia, strade, ferrovie, ecc.) e dati statistici georeferenziati, mentre altre banche dati sono in preparazione.

Il panorama delle funzioni e degli operatori GIS

Nei capitoli precedenti di questo breve corso sui GIS sono già state affrontate le differenze tra i sistemi CAD ed i GIS, relativamente alla tipologia dei dati che vengono gestiti da ciascuno di questi sistemi.

Se una organizzazione dei dati di tipo topologico caratterizzava già i sistemi GIS, la loro capacità di effettuare operazioni di analisi spaziale li distanzia ulteriormente e definitivamente dal mondo dei sistemi nati per effettuare operazioni di sola cartografia e disegno al computer.

Mediante tale analisi, partendo dalle informazioni esistenti nel nostro database geografico, possono essere creati nuovi livelli informativi, associando i dati in maniera da identificare relazioni prima non chiaramente visibili. Tipico esempio sono le analisi effettuate con la semplice sovrapposizione di più livelli informativi (overlay) come l'uso del suolo ed i dati catastali, allo scopo di identificare, per ogni proprietà (particella catastale), la tipologia di uso del suolo.

Analisi più sofisticate possono essere effettuate con la combinazione di diversi operatori anche estremamente complessi che operano sui dati sia bidimensionali sia tridimensionali.

Una categoria a parte sono gli operatori specializzati per la gestione e l'analisi delle reti a grafo che operano su una struttura dati topologica di tipo lineare avente degli attributi alfanumerici particolari, necessari ad effettuare le analisi di connettività, minimo percorso, allocazione di risorse ecc. tipiche delle reti a grafo.

Data la crescente importanza che sta avendo la gestione ed analisi delle reti, si pensi alle reti di distribuzione di acqua e gas, alle reti elettriche e telefoniche, alla gestione del traffico stradale (e sono solo alcune tra le possibili applicazioni di un GIS alla gestione delle reti) particolare sforzo è stato fatto per estendere le funzionalità di tali sistemi nel settore.

In tempi assai recenti ad esempio è stata proposta una estensione del modello topologico lineare denominata segmentazione dinamica (dynamic segmentation); mediante tale estensione e le relative nuove funzioni disponibili per la sua gestione, alla struttura topologica fisica è possibile sovrapporre una nuova topologia, definita in maniera logica, senza la necessità di modificare i dati presenti nel database.

La possibilità data da un modello dei dati, come quello georelazionale, di poter essere esteso senza la necessità di riformulare radicalmente la sua struttura, dimostra ancora una volta la validità della sua scelta come struttura di base per un Geographical lnformation System.

L'overlay topologico

Probabilmente le funzioni di overlay sono state le prime ad essere implementate in un GIS, e rimangono ancora oggi le funzioni di base in questi sistemi. Concettualmente si tratta di funzionalità molto semplici ma solamente una struttura dei dati completamente topologica permette di realizzarle in modo efficace. Infatti il risultato della sovrapposizione di diversi livelli informativi non deve essere solamente visuale, cioè si possono vedere gli elementi sovrapposti ma devono soprattutto essere a livello degli attributi, che devono essere riportati da un livello informativo all'altro, in corrispondenza degli elementi corrispondenti.

Le sovrapposizioni (overlay) possono essere suddivise in tre categorie principali: punti su poligoni, linee su poligoni e poligoni su poligoni: comune a tutte le operazioni di overlay è che almeno uno dei due tematismi considerati sia di tipo poligonale. Se ad esempio poniamo, come livello poligonale, una carta dell'uso del suolo, mediante le funzioni di overlay possiamo attribuire la tipologia del suolo in cui cade ad esempio un traliccio elettrico (punto su poligono), un tratto di strada (linea su poligono), un fabbricato (poligono su poligono). Il nuovo livello informativo conterrà, oltre che tutti gli attributi rispettivamente del traliccio, della strada o del fabbricato, anche tutte le informazioni che sono associate alla carta poligonale dell'uso del suolo. Mediante questi operatori sono possibili sofisticate analisi di tipo ambientale e scientifico: si pensi, in campo geologico, alla possibilità di sovrapporre carte diverse riportanti informazioni sulla geologia, la copertura vegetale, l'acclività, la fratturazione della roccia, per determinare le zone potenzialmente predisposte al dissesto; tali analisi, tipiche delle scienze ambientali, risultano grandemente facilitate dalla presenza degli operatori di overlay.

Il buffering

Quante volte si devono determinare delle aree di rispetto intorno a specifici elementi geografici? Le linee elettriche ad alta tensione prevedono delle fasce di rispetto di oltre 250 metri per parte; le leggi ambientalistiche prevedono l'inedificabilità entro una specifica distanza dalle rive di corsi d'acqua, laghi e mare; un ponte ripetitore copre un'area con un determinato raggio.

La risposta a questi specifici problemi viene agevolmente data da un GIS che disponga delle funzioni di buffering, in grado cioè di creare un'area di rispetto intorno agli elementi geografici che sono presenti nel database. La possibilità di modulare questa operazione a seconda delle necessità dell'operatore dà modo di risolvere, con pochi passaggi, problemi altrimenti difficilmente risolvibili; ad esempio la capacità di effettuare buffering asimmetrici rispetto, ad esempio ai due lati di un elemento lineare oppure di effettuare un buffering parametrizzato a seconda delle caratteristiche dell'elemento: per creare fasce di rispetto intorno alle linee elettriche, si può usare come parametro discriminante la tensione di esercizio, creando fasce maggiori per tensioni maggiori della linea. Una volta creata la fascia di rispetto che sia intorno ad un punto, linea o poligono, il risultato è sempre un livello informativo di tipo poligonale, che può essere utilizzato per successive analisi; ad esempio, effettuando l'overlay della carta della vegetazione con le fasce di rispetto create intorno ad una strada in costruzione, può essere valutata la superficie e la tipologia della vegetazione coinvolta nel progetto.

L'analisi di rete

Lo spostamento delle persone, il trasporto e la distribuzione di beni e servizi, la distribuzione dell'energia, le comunicazioni: tutte queste attività prevedono lo spostamento di materia o di informazioni mediante dei sistemi di reti, che sempre più costituiscono una delicata e vitale infrastruttura del mondo di oggi.

La forma, la capacità e l'efficienza delle reti ha quindi un impatto non trascurabile sull'attuale standard di vita e comunque influenza la nostra visione del mondo.

Le funzioni principali che possono essere effettuate mediante un GIS sulle reti, di qualsiasi tipo esse siano (trasporto, distribuzione, comunicazione, ecc.) sono fondamentalmente la ricerca del minimo percorso su una rete o comunque del percorso meno costoso; l'allocazione di porzioni della rete ad un fornitore o consumatore di risorse; la verifica delle connettività tra due punti della rete. Le funzioni di analisi di rete offrono la soluzione ad un problema di base: determinare il percorso minimo o comunque il più efficace per attraversare una rete passando per determinate località di questa. Il costo può essere determinato utilizzando un qualsiasi attributo presente sugli elementi costituenti la rete (tipicamente, una rete a grafo è rappresentata mediante archi connessi tramite nodi; questa può anche essere la rappresentazione di una rete stradale, simboleggiata con gli archi che indicano l'asse stradale ed i nodi che indicano gli incroci) che possa essere quantificato in maniera numerica: tipico esempio la distanza o il tempo di percorrenza lungo un arco del grafo può essere utilizzato per identificare il minimo percorso in termini di distanza o di tempo, ad esempio, lungo una rete viaria. Allocazione di risorse: per effettuare queste analisi bisogna disporre di un centro che offra risorse e di una domanda di queste sulla rete, o viceversa, di una offerta sulla rete e di una capacità ricettiva su di un centro.

A titolo di esemplificazione, mediante l'uso delle funzioni di allocazione, secondo questa ultima modalità può essere affrontato e risolto un problema tipico della gestione pubblica di una città, ovvero la raccolta dei rifiuti solidi urbani.

Questa analisi viene effettuata rappresentando una eventuale discarica come centro di raccolta, e riportando la distribuzione dei cassonetti sul grafo che rappresenta la rete viaria cittadina: in questo modo si può determinare il numero massimo di cassonetti che, svuotati mediante i mezzi di raccolta, determinano la saturazione della discarica, ed anche identificare quali parti della rete stradale contribuiscono ad alimentare la discarica fino alla sua saturazione.

Operazioni analoghe possono essere effettuate per allocare studenti su scuole oppure determinare piani di evacuazione in caso di calamità, allocando la popolazione sulle strutture di ricovero, ecc.

Connettività: le funzioni per la verifica della connettività servono ad identificare se e quali porzioni di una rete sono connesse. Ad esempio, una società per la gestione delle reti elettriche può avere bisogno di sapere quale impianto presente sulla rete elettrica serve un determinato utente, e nel caso di interruzione o guasto quale percorso alternativo può essere adottato per mantenere la funzionalità del sistema. Analogamente un idrologo può utilizzare tali funzionalità per identificare tutti i rami ed i corsi d'acqua a monte di un determinato punto di un fiume.

La segmentazione dinamica

Gli elementi lineari, in una visione del mondo di tipo geografico, raffigurano oggetti come strade, fiumi o limiti amministrativi.

Utilizzando l'estensione al modello dati di tipo georelazionale chiamata segmentazione dinamica, è possibile rappresentare tali elementi lineari ed associare delle informazioni, gli attributi, a qualsiasi porzione degli archi che rappresentano tali elementi.

La segmentazione dinamica è la capacità di associare diversi insiemi di attributi a qualsiasi segmento di un elemento geografico lineare senza dover cambiare la struttura fisica di questo: posso quindi attribuire informazioni diverse a porzioni diverse di un arco senza dover effettivamente spezzare fisicamente l'arco.

Infatti, la rappresentazione all'interno di un GIS di elementi geografici come un reticolo stradale o fluviale viene effettuata memorizzando una serie di coordinate X, Y in un dato sistema di riferimento. Ma un altro metodo per identificare la posizione di un elemento geografico potrebbe essere anche la sua posizione lungo una strada od un fiume (ad es. "al 12esimo chilometro dell'autostrada A14"). Questo metodo semplifica enormemente l'acquisizione dei dati, in quanto consente di memorizzare e gestire solamente una coordinata di posizione invece che due e di usare un sistema di riferimento più vicino alla realtà dell'utilizzatore finale.

Le funzionalità di segmentazione dinamica (nota: si tratta di funzionalità e non di modalità di memorizzazione di dati, in quanto la struttura dei dati rimane la medesima di quella utilizzata per memorizzare dati di tipo lineare ma viene estesa mediante opportune procedure software che implementano queste nuove potenzialità) permettono quindi di rappresentare e gestire in maniera estremamente efficace delle informazioni associabili ad elementi geografici lineari.

Ad esempio, i dati relativi ad un reticolo stradale, quali lo stato della pavimentazione, la frequenza degli incidenti, i limiti di velocità possono essere tutti associati al medesimo grafo che rappresenta la rete stradale.

Alla base della segmentazione dinamica vi è la definizione della route, che rappresenta un elemento lineare a cui possono essere associati degli attributi; la route può essere costituita da un insieme di archi, ma senza la costrizione che il suo inizio o fine debbano coincidere con il nodo iniziale o finale di una arco, cioè può comprendere anche parti di un arco.

In questo modo possono essere associati attributi a più archi oppure a parte di un arco, nel caso che la route sia definita solo su una porzione di esso. La disponibilità di strumenti per creare, memorizzare, modificare, interrogare e rappresentare le routes completano le funzionalità di segmentazione dinamica.

Gli operatori raster e tridimensionali

La necessità di operare da un unico ambiente su diverse tipologie di dati hanno spinto l'evoluzione dei sistemi GIS verso dei sistemi integrati in cui fossero disponibili operatori in grado di effettuare analisi su dati bidimensionali e tridimensionali, oltre che raster.

Le funzionalità di visualizzazione dei dati raster in diversissimi formati hanno aperto la strada all'integrazione di dati telerilevati, anche da satellite, con i dati di tipo vettoriale; ma la successiva implementazione di una serie completa di operatori in grado di elaborare dati di tipo raster ha praticamente portato all'interno dei GIS funzionalità che erano prerogativa esclusiva dei sistemi di image processing.

Tali funzionalità, in grado di operare su dati di tipo matriciale, hanno aperto la strada ad una serie di applicazioni specifiche difficilmente realizzabili mediante l'approccio vettoriale: la modellazione idrogeologica, la ricerca di superfici di minimo costo (analoghe alla ricerca del minimo percorso, ma in tre dimensioni), l'interpolazione di dati puntuali per la generazione di superfici tridimensionali o la derivazione di curve di livello, sono tutte operazioni che sono state implementate in maniera straordinariamente efficace su strutture dati di tipo matriciale.

Mediante una sola specifica funzione ad esempio, è possibile derivare la struttura di un reticolo fluviale partendo da un modello digitale del terreno, e quindi codificare i vari rami del reticolo così identificati o calcolare l'esposizione di una superficie rispetto ad una sorgente luminosa, potendo modificare in tempo reale tutti i parametri relativi ail'orientamento della sorgente e del modello tridimensionale sotto osservazione.

Alcune di queste funzionalità che operano su dati raster, trovano una controparte nella funzionalità di modellazione tridimensionale in cui troviamo operatori utili per effettuare calcoli di lunghezze vere (ad esempio, la lunghezza vera di una strada considerando anche l'andamento altimetrico e non quella proiettata su di una superficie piana come nella rappresentazione cartografica bidimensionale), per determinare la reciproca visibilità di due punti oppure per effettuare profili morfologici o sezioni.

Le funzioni che determinano la visibilità di due punti, ad esempio, possono essere utilizzate per le operazioni di valutazione di impatto ambientale, per determinare se e da quali punti è visibile un manufatto in costruzione come una strada od un insediamento abitativo, identificando le possibili soluzioni ottimali.

La crescente disponibiltà di informazioni sul territorio, tra cui quelle relative alla morfologia, rendono maggiormente fruibili le funzioni che operano sui dati tridimensionali aprendo la strada a delle analisi assai sofisticate che erano prima appannaggio di sistemi specializzati di sola modellazione tridimensionale.

L'interfaccia utente e la programmabilità

Tutte le funzionalità sopra descritte, per quanto potenti possano essere, troverebbero una forte limitazione nel loro utilizzo se non ci fosse una facile ed adeguata modalità di interazione tra l'uomo e la macchina in grado di svolgerle.

Analogamente, il risultato di una analisi o di una modellazione spesso si ottiene effettuando le stesse operazioni in maniera iterativa su diversi set di dati oppure modificando dei parametri e reiterando l'analisi.

La disponibilità di un linguaggio di programmazione e di adeguati strumenti di interazione con l'utente sono la risposta a queste esigenze.

Mediante un linguaggio di programmazione di alto livello, dotato di strutture di controllo del flusso delle operazioni e di comandi per la realizzazione di maschere e menù, è possibile realizzare sofisticate interfacce che rendono agevole anche ad un operatore non specializzato l'accesso e la manipolazione dei dati.

La diffusione di standard internazionali per quanto riguarda le GUI (Graphical User lnterface), come X-Windows, ha di fatto unificato le modalità di sviluppo delle interfacce rendendo agevole la loro realizzazione e la loro portabilità tra macchine anche di diversi costruttori.

Una ulteriore sofisticazione, di grande utilità in sede di definizione ed implementazione di una interfaccia è la disponibilità di editor grafici interattivi, mediante i quali possono essere costruiti dall'utente dei menù dotati di tutti i widgets tipici di queste GUI: cursori, bottoni di scelta, scroll-list ecc. sono alla portata anche del programmatore casuale che viene sgravato dalla necessità di conoscere comandi complessi e può quindi concentrarsi sulle problematiche dell'applicazione a cui sta lavorando.

GIS: prodotto o sistema ?

Spesso ci si domanda se il GIS è un prodotto o un sistema, se va acquistato o progettato, se è una soluzione standard o va sviluppato di volta in volta. La domanda non è capziosa e non dipende solo dal fatto che il GIS sia una tecnologia matura o meno. Domandiamoci innanzi tutto cosa si intende per GIS. Se per GIS si intende un software di gestione di un data base geografico, allora i prodotti oggi in commercio garantiscono elevati standard qualitativi e una gamma di prezzi (e di rapporto prezzo/prestazioni) estremamente variegata. Si va da applicazioni per personal computer paragonabili anche nel prezzo ai più diffusi pacchetti disponibili sotto Windows a sofisticati strumenti software operanti in rete locale e geografica su workstation, macchine dipartimentali, mainframes.

Se per GIS si intende una soluzione, allora ci dobbiamo porre anche la domanda "a cosa serve" e includere nel progetto i costi, i tempi ed i metodi di costruzione della base di dati e delle applicazioni. In altre parole, se si vuole visualizzare e riprodurre una mappa ed eseguire le funzioni di base di un GIS (overlay topologici, selezioni spaziali, ecc.), si compra un software se si vuole sopportare delle decisioni e si acquista una soluzione, composta di hardware, software, dati, applicazioni, servizi di formazione, addestramento, manutenzione, ecc. Ecco perchè dopo aver parlato di topologia, dati georeferenziati raster e vettoriali, attributi, funzioni e operatori, ci ritroviamo ora a parlare di applicazioni.

Cos'è un'applicazione

Ai fini di questa trattazione, per applicazione vogliamo intendere sostanzialmente tre cose: un modello dati orientato, un insieme di algoritmi e un'interfaccia utente.

Per interfaccia utente intendiamo quella serie di icone, menu, schermate che consentono all'utilizzatore di richiamare le funzioni più frequentemente richieste all'applicazione e che consentono l'introduzione dei parametri sui quali il sistema effettua i suoi calcoli.

Gli algoritmi sono invece i veri e propri programmi, di solito scritti in macrolinguaggio (cioè come sequenza di istruzioni già disponibili nel GIS) ovvero programmati a più basso livello in altri ambienti e collegati ai menu dell'applicazione. Detti algoritmi effettuano in genere i calcoli necessari all'utente, quali il dimensionamento di una rete, il calcolo di incongruenze spaziali, il percorso ottimale, ecc.

Per modello dati orientato intendiamo un modello dati che tenga conto di come i dati debbano essere organizzati per rispondere alle domande che si vorranno fare al sistema.

Un semplice esempio può essere quello di come memorizzare le strade: se la domanda riguarda la rete viaria, intesa come insieme sul quale calcolare ad esempio le distanze, i percorsi ottimali, i bacini d'utenza, il traffico, la domanda di trasporto, ecc., allora le strade andranno memorizzate sotto forma di linee e di nodi a formare un grafo, se la domanda riguarda la manutenzione del manto stradale, di reti tecnologiche, ecc. andranno invece memorizzate come superfici.

Ciò con tutte le varianti possibili: i parametri che consentono di calcolare l'iscrizione in curva degli autobus, il numero di corsie o i sensi di percorrenza potranno essere resi geometricamente, ovvero utilizzando appositi attributi sempre a seconda delle domande che porremo al sistema a supporto delle decisioni che siamo chiamati a prendere (scenari, simulazioni, analisi).

Il fatto che ciascuna applicazione abbia bisogno oltre che di programmi ed interfacce anche di un modello dati ad essa orientato non significa che venga meno il grande contributo che il GIS può dare nel coordinamento tra utenti diversi che intervengono sullo stesso territorio.

E' evidente che, ad esempio in una applicazione comunale, l'ufficio urbanistica può avvantaggiarsi degli aggiornamenti alla viabilità operati dal servizio strade, ovvero dalla possibilità di analisi offerte dal collegamento del sistema con l'anagrafe della popolazione.

Tutto ciò richiede una condivisione del data base che però non deve, come erroneamente si pensa, essere totale.

In altre parole è necessario definire un insieme minimo di informazioni geografiche comuni, necessario a riferire ad una stessa cartografia (detta " base") le informazioni necessarie alle specifiche applicazioni, ma non si deve ridurre la complessità dei fenomeni studiati da ciascun dipartimento ad un minimo denominatore comune.

Ad esempio la strada di cui si è parlato prima, potrà essere memorizzata come superficie ai fini della cartografia di base (in genere di derivazione catastale a grande scala) e come tale essere utilizzata per "" gli elementi descrittivi necessari per la redazione di piani regolatori o per la gestione della manutenzione, mentre il suo "" (esso può anche avere in comune con l'altra rappresentazione alcuni attributi, quali per esempio la toponomastica) può essere utilizzato per applicazioni che richiedono la disponibilità di un grafo (gestione delle linee di trasporto pubblico, raccolta dei rifiuti, simulazioni di traffico).