Geographic information system

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Il Geographic Information System (GIS) (anche detto sistema informativo geografico o anche sistema informativo territoriale) è un sistema informativo computerizzato che permette l'acquisizione, registrazione, analisi, visualizzazione, restituzione, condivisione e presentazione di informazioni derivanti da dati geografici (geo-riferiti)[1].

Esempio di un GIS nel quale sono caricati livelli lineari e puntuali.

È quindi un sistema informatico in grado di associare dei dati alla loro posizione geografica sulla superficie terrestre e di elaborarli per estrarne informazioni.

Il suo principale utilizzo è nella graficizzazione e nello studio di fenomeni umani e naturali terrestri.

Funzionalità principali dei sistemi GISModifica

La tecnologia GIS integra in un unico ambiente le più comuni operazioni legate all'uso di database (interrogazioni e analisi statistiche) con l'analisi geografica consentita dalle cartografie numeriche, sia raster che vettoriali. I GIS permettono di analizzare una entità geografica sia per la sua completa natura geometrica (e simbolica) sia per il suo totale contenuto informativo. Ciò è reso possibile dall'integrazione di due sistemi prima separati: i sistemi di disegno computerizzato (CAD-Computer Aided Design) e i database relazionali (DBMS-Data Base Management System). L'implementazione del GIS avviene tramite i sistemi informativi territoriali (SIT).

Modello dei datiModifica

Per la rappresentazione dei dati in un sistema informatico occorre formalizzare un modello rappresentativo flessibile che si adatti ai fenomeni reali. Nel GIS abbiamo tre tipi di informazioni:

  • geometriche: relative alla rappresentazione cartografica degli oggetti rappresentati; quali la forma (punto, linea, poligono), la dimensione e la posizione geografica;
  • topologiche: riferite alle relazioni reciproche tra gli oggetti (connessione, adiacenza, inclusione ecc…);
  • informative: riguardanti i dati (numerici, testuali ecc…) associati ad ogni oggetto.
 
Mappa elaborata da E. W. Gilbert (1958) usando le descrizioni e statistiche di John Snow (1855), indicando i casi di colera nel quartiere di Soho a Londra del 1854

Il GIS prevede la gestione di queste informazioni in un database relazionale.

L'aspetto che caratterizza il GIS è quello geometrico: esso memorizza la posizione del dato impiegando un sistema di proiezione reale che definisce la posizione geografica dell'oggetto. Il GIS gestisce contemporaneamente i dati provenienti da diversi sistemi di proiezione e riferimento (es. UTM o Gauss Boaga)

A differenza della cartografia su carta, la scala in un GIS è un parametro di qualità del dato e non di visualizzazione. Il valore della scala esprime le cifre significative che devono essere considerate valide delle coordinate di georeferimento. Quando un sistema informativo territoriale può essere utilizzato via Web viene considerato un webgis.

Tipologia di dati geograficiModifica

I dati possono essere correlati alla loro posizione geografica in due tipi principali: vettoriali e raster.

I dati vettoriali sono costituiti da elementi semplici quali punti, linee e poligoni, codificati e memorizzati sulla base delle loro coordinate. Un punto viene individuato attraverso le sue coordinate reali (x1, y1); una linea o un poligono attraverso la posizione dei suoi nodi (x1, y1; x2, y2; ...). A ciascun elemento è associato un record del database che contiene tutti gli attributi dell'oggetto rappresentato.

Il dato raster permette di rappresentare il mondo reale attraverso una matrice di celle, generalmente di forma quadrata o rettangolare, dette pixel. A ciascun pixel sono associate le informazioni relative a ciò che esso rappresenta sul territorio. La dimensione del pixel (detta anche pixel size), generalmente espressa nell'unità di misura della carta (metri, chilometri, etc.), è strettamente relazionata alla precisione del dato.

I dati vettoriali e i dati raster si adattano ad usi diversi. La cartografia vettoriale è particolarmente adatta alla rappresentazione di dati che variano in modo discreto (ad esempio l'ubicazione dei cassonetti dei rifiuti di una città o la rappresentazione delle strade o una carta dell'uso del suolo), la cartografia raster è più adatta alla rappresentazione di dati con variabilità continua (ad esempio un modello digitale di elevazione o una carta di acclività del versante).

FunzionalitàModifica

Il GIS consente di mettere in relazione tra loro dati diversi, sulla base del loro comune riferimento geografico in modo da creare nuove informazioni a partire dai dati esistenti. Il GIS offre ampie possibilità di interazione con l'utente e un insieme di strumenti che ne facilitano la personalizzazione e l'adattamento alle problematiche specifiche dell'utente.

I GIS presentano normalmente delle funzionalità di analisi spaziale ovvero di trasformazione ed elaborazione degli elementi geografici degli attributi. Esempi di queste elaborazioni sono:

  • l'overlay topologico: in cui si effettua una sovrapposizione tra gli elementi dei due temi per creare un nuovo tematismo (ad esempio per sovrapporre il tema dei confini di un parco con i confini dei comuni per determinare le superfici di competenza di ogni amministrazione o la percentuale di area comunale protetta);
  • le interrogazioni spaziali, ovvero delle interrogazioni di basi di dati a partire da criteri spaziali (vicinanza, inclusione, sovrapposizione etc.)
  • il buffering: da un tema puntuale, lineare o poligonale definire un poligono di rispetto ad una distanza fissa o variabile in funzione degli attributi dell'elemento
  • la segmentazione: algoritmi di solito applicati su temi lineari per determinare un punto ad una determinata lunghezza dall'inizio del tema;
  • la network analysis: algoritmi che da una rete di elementi lineari (es. rete stradale) determinano i percorsi minimi tra due punti;
  • l'analisi spaziale: algoritmi che utilizzando modelli dati raster effettuano analisi spaziali di vari tipi, ad es: analisi di visibilità;
  • analisi geostatistiche: algoritmi di analisi della correlazione spaziale di variabili georeferite.

WebGISModifica

Le applicazioni webGIS permettono la distribuzione di dati geo-spaziali, in reti internet e intranet, sfruttando le analisi derivanti dai software GIS e per mezzo di classiche funzionalità di applicazioni web-based pubblicano informazioni geografiche nel World Wide Web. Un sistema webGIS si basa su normali funzionalità client-server, come una classica architettura Web.[2]

 
L'architettura di un servizio WebGis

SoftwareModifica

Gli elementi fondamentali di un GIS sono:

  • Strumenti per l'input e gestione degli elementi geografici
  • Un database relazionale (RDBMS)
  • Strumenti che supportano interrogazioni, analisi e visualizzazioni
  • Interfaccia utente grafica (GUI) per consentire un facile accesso

I principali software GIS proprietari sono:

I principali software GIS open source sono:

Licenze e GIS FLOSSModifica

Sviluppo e diffusione del formato ESRI ShapefileModifica

Dalla fine degli anni '80 con l'espansione di utilizzo dei Personal Computer (PC), assieme ai PC si diffonde il mercato dei programmi desktop. Sin da questo periodo, tra gli strumenti di disegno tecnico e pianificazione territoriale i Sistemi Informativi Geografici sono secondi per notorietà e utilizzo unicamente agli strumenti CAD. Tra le società di sviluppo software maggiormente interessate allo sviluppo del settore, alla sua diffusione e alla commercializzazione dei prodotti GIS nel mondo vi è la ESRI.

Questa azienda diffusa in tutto il mondo è centrale per la storia e e la diffusione dei Sistemi GIS nel mondo; Esri infatti con il tempo sviluppa per commercializzarlo e poi rilascia la possibilità di un suo utilizzo anche i software e applicazioni sviluppati da terze parti nel Luglio 1998[3], il formato vettoriale geometrico non topologico chiamato comunemente Shapefile (nome tecnico scientifico Esri Shapefile). La licenza del formato .shp è ancora oggi proprietà della Esri sebbene molti dei componenti che formano lo standard abbiano licenze totalmente open come ad esempio il formato file .dbf utilizzato sia dallo shapefile che da altri programmi come ad esempio OpenOffice per amministrare le informazioni in semplici database strutturati sotto forma di tabella.

Il rilascio della descrizione tecnica del formato shapefile è centrale per la diffusione nel mondo dei sistemi GIS che vedono da questo momento un notevole incremento di utilizzo, sviluppo e applicazione da parte di altre case software e singoli gruppi di programmazione. Potremo definire questa operazione come una strategia di marketing giacché all'inizio degli anni 2000 Esri deteneva pressoché il monopolio delle licenze vendute e il rilascio del formato ha di fatto incrementato il numero di user nel mondo e quindi il numero di potenziali clienti della casa software.

Dal Free Software alla OSGeo FoundationModifica

Dal 1998 la diffusione dell'utilizzo dei sistemi GIS si accompagna con un fermento di sviluppo e condivisione di pratiche e metodologie. L'apertura del formato e la sua larga diffusione nelle comunità di utilizzo GIS si incontra con il frangente storico del rilascio da parte dell'esercito degli Stati Uniti d'America di GRASS GIS (4.1) di pubblico dominio nel 1996, che dal 1999 viene implementata nel rispetto della GNU General Public License. GRASS GIS nel suo sistema la visualizzazione, lettura e modifica vettoriale utilizzerà presto la possibilità di uso dello standard .shp.

Il punto di svolta per la comunità Free Libre and Open Source Software (FLOSS) si ha con la programmazione di Quantum Gis (dal 2013 QGIS) programmato da Gary Sherman inizialmente come visualizzatore dei layer del potente DBRMS PosrgreSQL nella sua estensione PostGIS. Lo sviluppo del web 2.0 e la proliferazione delle pratiche di sviluppo collaborativo hanno portato al punto di svolta del 2006 con la nascita del Open Source Geospatial Foundation OSGeo organizzazione non-profit nata per sostenere e promuovere lo sviluppo collaborativo di tecnologie aperte e dati geospaziali. OSGeo nel 2007 riconosce Quantum GIS (QGIS) che nell'ultimo decennio è divenuto il software GIS più diffuso e utilizzato al mondo.

Motivi della diffusione globale del GIS FLOSS negli anni 2000Modifica

La diffusione e dell'utilizzo di GRASS Gis, QGIS e altri software GIS FLOS (tra cui oltre QGIS e GRASS si contano nel novero dei più utilizzati anche Marble e gvSIG) è aumentato fino al 2008 in maniera lenta affermandosi sempre di più negli anni successivi e in maniera esponenziale.

Rispetto ai prodotti sviluppati da ESRI, una grande spinta per i software riconosciuti dalla OSGeo è stata certamente il susseguirsi delle crisi economiche degli anni '00 e '10 e '20 del XXI secolo.

In questi frangenti ha inciso in maniera fondamentale la gratuità economica dei software FLOSS. La gratuità sancita è in termini di denaro e non è assoluta, in quanto va sommato al costo necessario all'operatività un costo (non indifferente) in termini di tempo di apprendimento da user-zero a user-autonomo dei GIS FLOSS che sebbene in netta diminuzione, è ancora maggiore rispetto a quello dei software proprietari.

A questo primo parametro va aggiunto l'aggancio dei Sistemi GIS FLOSS al trade di diffusione dei sistemi operativi UNIX e LINUX proprio a partire dall'inizio degli anni 2000 a discapito del monopolio detenuto fino agli anni '90 da Microsoft Windows. I sistemi ESRI, detentori della maggior fetta di mercato globale dei sistemi GIS fino al 2013, sono infatti tradizionalmente sviluppati innanzitutto per Windows users.

Si è scritto di diffusione di utilizzo principalmente dei Desktop Application, che hanno trainato nei numeri e nello sviluppo la disciplina informatica, esistono tuttavia anche altre progetti sviluppati dalle principali case software proprietarie e dalla OSGeo Foundation, in ordine di diffusione e utilizzo abbiamo strumenti di:

  • Web Mapping
  • Spatial Databases
  • Geospatial Libraries
  • Content Management Systems (CMS)
  • Metadata Catalogues

Stato attuale e prospettiveModifica

All'inizio degli anni '20 del XXI i software riconosciuti dalla OSGeo Foundation coprono oltre il 50% dei download mondiali di software GIS e 32 capitoli nazionali[4].

La versatilità, l'utilità e la gratuità dei software riconosciuti dalla OSGeo hanno avuto una decisa diffusione negli anni '10 anche presso gli user di altri sistemi di disegno tecnico digitale, quali i sistemi CAD 2D proprietari. Il trade di incremento in questo campo si è notevolmente mitigato all'inizio negli anni '20 con lo sviluppo e l'implementazione dei sistemi BIM proprietari e ora è in fase di decisa discesa dato il lento sviluppo e utilizzo dei sistemi di visualizzazione e analisi 3D dei sistemi GIS Open.

Utilizzo GIS in astronomiaModifica

Lo studio dei fenomeni terrestri è statisticamente il tema di utilizzo più diffuso dei sistemi GIS, questo non è l'unico ambito di applicazione.

Sulle più diffuse piattaforme GIS vi è infatti la possibilità di utilizzo dei sistemi di riferimento, dei principali pianeti del Sistema Solare e dei loro principali satelliti, raccolti assieme ai sistemi di coordinate terrestri nel database SRID dell'European Petroleum Survey Group (EPSG).

L'utilizzo del GIS consente alle Agenzie Spaziali e agli astronomi di pianificare e studiare la superficie dei pianeti del Sistema Solare utilizzando le medesime metodologie terrestri.

NoteModifica

BibliografiaModifica

  • Michael Worboys e Matt Duckham, GIS: a computing perspective, Boca Raton, London, New York, Washington, CRC Press, 2004, ISBN 978-0-203-48155-4.

Voci correlateModifica

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Collegamenti esterniModifica

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