Introduzione alla Cartografia Digitale e al GPS

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Introduzione alla Cartografia
Digitale e al GPS
Ruotalibera-FIAB, Roma
Corso Guide 2007
Enrico Carta
Roma, 13 Marzo 2007
Sunday, March 11, 2007
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Il materiale utilizzato in questo corso
e’ distribuibile liberamente.
Per ulteriori informazioni:
http://www.ruotalibera.org/go/corsoguide
[email protected]
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Agenda del corso
I Sistemi di Coordinate
La Proiezione su Mappa
Cartografia Digitale
Il Sistema di Navigazione GPS
GPS: Utilizzi pratici
Utilizzo del GPS nel cicloescursionismo
I
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sistemi di Coordinate
I sistemi di coordinate permettono di
rappresentare univocamente un punto in uno
spazio bidimensionale o tridimensionale (spazio
fisico)
Nello spazio bidimensionale:
Coordinate cartesiane 2-D
Nello spazio tridimensionale:
Coordinate cartesiane 3-D
Coordinate polari
Queste ultime, opportunamente modificate,
sono utilizzate per rappresentare i punti della
superficie terrestre, schematizzata come una
sfera o meglio come un ellissoide.
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I sistemi di Coordinate
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L’ellissoide di riferimento per il modello
della superficie terrestre prende anche il
nome di Geodetic Datum (o Datum).
Ellissoidi comunemente utilizzati sono
l’European-1950 (ED-50) e il WGS-84.
Il primo e’ utilizzato nella cartografia
italiana dell’IGM, il secondo e’ utilizzato
nella cartografia a livello mondiale, ed e’
predefinito su tutti i GPS.
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Il sistema di coordinate piu’ utilizzato e’ quello
basato sulla terna Latitudine, Longitudine,
Altitudine (quota sul livello del mare, s.l.m.)
Sono necessari due piani di riferimento:
L’Equatore (0° di Latitudine)
Il Primo Meridiano (0° di Longitudine, passante per
l’osservatorio di Greenwich, SE di Londra)
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Fissati i due riferimenti (Piano Equatoriale e
Primo Meridiano), qualsiasi punto e’ esprimibile
in maniera univoca dalla terna: Latitudine,
Longitudine, Altitudine.
La Latitudine Geografica di un punto e’ l’angolo tra
la normale all’ellissoide passante per quel punto e il
piano equatoriale
La Longitudine Geografica di punto e’ l’angolo tra il
piano passante per il punto, perpendicolare al piano
equatoriale e il piano passante per il Meridiano di
riferimento.
L’Altitudine e’ la distanza tra il punto e l’intersezione
della normale sull’ellissoide.
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Le proiezioni su Mappa
L’argomento esula dallo scopo del corso, quindi
verra’ trattato senza soffermarsi sui dettagli.
Le proiezioni su Mappa hanno come obiettivo
la rappresentazione della superficie terrestre
(sferica / ellisoidale, comunque
tridimensionale) su una mappa bidimensionale.
Questo processo produce, per sua stessa
natura, un’inevitabile deformazione.
Esistono numerosi tipi di proiezione, tutte
caratterizzate da differenti deformazioni, e
quindi scelte a seconda della tipologia della
mappa che si vuole ottenere.
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Sulla proiezione nello spazio bidimensionale
viene imposto un sistema di coordinate, che
prende il nome di griglia (grid).
La proiezione attualmente piu’ utilizzata nella
cartografia degli Stati e’ quella nota come
Universal Transverse Mercator (UTM).
Per convenzione, le coordinate su una
proiezione UTM vengono espresse in metri, e
relativamente alla griglia (UTM-Grid)
anziche’ in termini di Latitudine / Longitudine.
E’ comunque sempre possibile esprimerle in
termini di Latitudine / Longitudine (spesso
viene fatto per semplificazione).
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Le carte topografiche dei paesi europei (in
Italia, le carte IGM) utilizzano generalmente
l’Ellissoide ED-50 e le Proiezioni Gauss-Boaga o
UTM.
I GPS utilizzano come parametri predefiniti
quelli internazionali (Ellissoide WGS-84 e
Proiezione UTM).
Estrema attenzione: Le coordinate di uno
stesso punto espresse nei due sistemi di
riferimento differiscono. Se si utilizza il GPS
assieme ad una carta topografica tradizionale,
occorre impostare sul dispositivo lo stesso
sistema di riferimento (Datum e Projection)
utilizzato sulla carta.
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Datum: WGS-84
Proiezione: UTM
Griglia: 33, Nord
Posizione:
289,836m E/Grid
4,643,541m N/Eq.
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Una Mappa Digitale puo’ essere di due tipi:
Raster
Vettoriale
Le mappe Raster sono costituite da una matrice di
celle, in ciascuna delle quali e’ contenuta
un’informazione (sotto forma di uno o piu’ numeri):
Il caso piu’ semplice e’ dato dalle immagini, in cui ogni
cella rappresenta il colore del pixel. Ad ogni cella e’
associata una certa risoluzione (espressa di solito in
metri).
Le mappe Vettoriali sono costituite da oggetti
geometrici ed entita’ elementari (linee, punti,
rettangoli, toponimi, quote...). La distanza geometrica
tra le entita’ e’ di norma garantita.
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Differenze:
Le mappe Raster sono generalmente piu’
semplici da costruire (puo’ bastare anche uno
scanner) e da rappresentare. Hanno come
svantaggio la maggiore memoria occupata e la
difficolta’ nell’essere scalate / ridimensionate.
Le mappe Vettoriali sono piu’ difficili da
costruire (occorre di solito un riconoscitore di
pattern), ma hanno numerosi vantaggi:
Minore memoria occupata
Facili da combinare
Scalabili / ridimensionabili a piacere
Indicizzabili (Ovvero, e’ possibile effettuare ricerche).
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Mappa Raster
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Mappa Vettoriale
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Affinche’ una Mappa Digitale possa essere
utilizzata utilmente attraverso un
programma/dispositivo, e’ necessario che sia
nota la corrispondenza spaziale tra le entita’
che la costituiscono (singoli pixel o oggetti) e i
punti della superficie del pianeta (coordinate).
Generalmente le mappe Vettoriali
incorporano al loro interno tale informazione.
Le mappe Raster necessitano invece di una
procedura nota come geo-referencing o
calibrazione.
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Nel caso in cui si disponga di una mappa
Raster, la geo-referenziazione puo’ essere
eseguita conoscendo una di queste
informazioni:
La coordinata di un punto sulla mappa (in
genere l’angolo alto-sinistro) ed il pixel-spacing
(risoluzione in metri di un pixel).
Le coordinate di due punti sulla mappa. Tali
coordinate possono essere ricavate dalla
mappa stessa, da una seconda mappa, oppure
acquisite sul posto tramite GPS.
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Su una Mappa Digitale Geo-Referenziata e’
sempre possibile:
Conoscere le coordinate geografiche di tutti
i punti sulla mappa.
Rappresentare sulla mappa percorsi (tracks) o
punti di interesse (POI) espressi come lista di
coordinate.
Tracciare percorsi (insieme ordinato di singoli
punti) e memorizzarli/esportarli come lista di
coordinate.
La rappresentazione di un tracciato tramite le
coordinate dei punti che lo costituiscono
prende comunemente il nome di vettoriale.
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Mappa Raster
Geo-Referenziata
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Il sistema di navigazione GPS
NAVSTAR GPS: Nav
R
G
P
S
S
igation
atellite
T
iming
A
nd
(Sistema di
Navigazione per Posizionamento Globale basato su
segnali di riferimento Satellitari)
anging
lobal
Basato su una
ositioning
ystem
costellazione di satelliti
, lanciati dal
1989, di proprieta’ e gestione del dipartimento della
DOD).
difesa americano (
l’alta qualita’ per uso civile e’ stata liberalizzata nel 2000
Sistema aperto all’
uso civile
sin dall’inizio della missione
(1993), sebbene con qualita’ degradata artificialmente;
In breve: I satelliti inviano a terra dei segnali radio
codificati e perfettamente noti a priori, che processati da
T),
confronto tra due misure successive, la sua velocita’ (V).
un ricevitore a terra permettono di stabilire il tempo (
X,Y,Z) e, mediante il
la sua posizione sul pianeta (
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La costellazione e’ basata su 24 satelliti, che compiono
un’orbita completa in poco meno di 12 ore.
E’ necessaria la ricezione di almeno 3 satelliti per una stima di
posizione e velocita’ con qualita’ accettabile.
Nel caso di completa assenza di ostacoli, sono sempre garantiti
dai 4 ai 12 satelliti visibili (cioe’ “sopra l’orizzonte”) in
quasiasi punto del pianeta.
Attenzione!
Ostacoli naturali o artificiali
(montagne, edifici, ponti, alberi, nuvole, nebbia...)
non
permettere il funzionamento del ricevitore).
possono deteriorare il segnale tanto da
!
Il ricevitore fornisce sempre una stima dell’accuratezza.
Sistemi simili: GLONASS (Russia, operativo al 45%)
Sistemi futuri: GALILEO (Unione Europea, 2010...?)
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Funzionamento di un ricevitore GPS:
Tutti i satelliti inviano gli stessi segnali,
perfettamente identici (
) e noti.
Il ricevitore dispone, in ogni istante, della
“in fase” tra loro
posizione di tutti i satelliti della costellazione
(Efemeridi) e del Tempo (trasmessi col segnale).
Il ritardo con cui ogni segnale viene ricevuto
dipende unicamente dalla distanza del ricevitore
rispetto a ciascun satellite.
Combinando i ritardi dei segnali (triangolazione)
e’ univocamente determinata la posizione del
ricevitore sulla superficie terrestre (X,Y,Z).
Confrontando due misure successive, si puo’
facilmente determinare la sua velocita’ (V).
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L’accuratezza di un GPS e’ di circa 15 metri
(caso nominale nelle condizioni peggiori).
In condizioni normali: errore entro 3/5 metri.
Principali cause di errore:
Causa:
Effetto:
Ionospheric effects
± 5 meters
Ephemeris errors
± 2.5 meters
Satellite clock errors
± 2 meters
Multipath distortion
± 1 meter
Tropospheric effects
± 0.5 meters
Numerical errors
± 1 meter or less
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Moderni ricevitori portatili GPS (da trekking, da bici...)
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GPS: Utilizzi Generici
Rilevazione puntuale di posizione, quota, tempo,
velocita’ (comune a qualsiasi tipo di GPS).
Visualizzazione della posizione su cartografia / Ricerca
di un percorso prestabilito o di Punti di Interesse
(POI).
Guida assistita/automatica (es. Imbarcazioni o Aerei).
Soccorso (Rescue)/Sorveglianza, di solito in
abbinamento ad un telefono cellulare/satellitare.
Escursionismo: memorizzazione completa di un
itinerario effettuato; rappresentazione su una carta
geo-referenziata; analisi del percorso e dell’altimetria;
distribuzione su Internet.
...
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Utilizzo del GPS nel ciclo-escursionismo
Per la progettazione di un’itinerario, in generale il GPS
non e’ necessario. L’utilizzo inizia dopo che il percorso
e’ stato tracciato su una carta tradizionale.
Ri-tracciamento dell’itinerario su mappa digitale (ad
esempio, utilizzando Ozi-Explorer).
Trasferimento sull’unita’ GPS.
Esecuzione della prova percorso, registrando
l’itinerario effettivamente svolto, e verificando in
tempo reale la propria posizione rispetto a quello
preventivato e ad altra cartografia.
Trasferimento dell’itinerario svolto su Computer;
Visualizzazione su mappa digitale del percorso e della
sua altimetria, e verifica finale.
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Durante la prova-percorso, puo’ essere utile
memorizzare alcuni Punti di Riferimento
(Waypoints), associati ad esempio a note sul
percorso o punti strategici o di interesse (aree di
sosta, incroci, fonti…).
I Waypoints possono essere anche memorizzati in
anticipo, durante la progettazione dell’itinerario.
I Waypoints hanno un identificativo univoco e possono
essere riportati facilmente sulla carta digitale.
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Materiale richiesto:
Mappa per la pianificazione dell’itinerario, anche
soltanto su carta.
per acquisire la stessa mappa e geo-referenziarla.
Ricevitore GPS portatile e cavo di connessione.
Computer anche non recente e offline (purtoppo, solo
PC-Windows) e Software cartografico.
Per il progetto parchi, l’associazione dispone di
un’unita GPS (Garmin GPS-60), una licenza di un
Software cartografico (OziExplorer) e le mappe
vettoriali di tutto il Lazio: tale materiale, quando
inutilizzato, puo’ essere prestato alle guide per
effettuare prove-percorso o acquisire esperienza.
Mappa digitale di scala paragonabile, o uno scanner
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Esempio del risultato ottenibile:
(Montecompatri / Santuario S.Silvestro, 04/02/2007)
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