Dispensa 8 - Politecnico di Milano

Facoltà di Architettura e Società
Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
Centro per lo Sviluppo del Polo di Cremona, Politecnico di Milano
Via Sesto 41 – 26100 Cremona
Master universitario interfacoltà di II livello in
Governo del territorio e delle risorse fisiche
Ingegneria del suolo e delle acque
http://www.cremona.polimi.it/msa
Direzione del Master universitario:
prof. Enrico Larcan (Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale, Politecnico di Milano)
prof. Pier Luigi Paolillo (Facoltà di Architettura e Società, Politecnico di Milano)
Commissione di Master universitario:
prof. Enrico Larcan – Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale, Politecnico di Milano
ing. Stefano Loffi – Direttore del Consorzio per l’Incremento dell’Irrigazione nel Territorio Cremonese
prof. Claudio Maffezzoni – Presidente del Centro per lo Sviluppo del Polo di Cremona, Politecnico di Milano
prof. Enrico Orsi – Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale, Politecnico di Milano
prof. Pier Luigi Paolillo (presidente) – Facoltà di Architettura e Società, Politecnico di Milano
Dispense dell’insegnamento di
Laboratorio di GIS per la pianificazione
Concorrono al Master universitario in Governo del territorio e delle risorse fisiche – Ingegneria del suolo e delle acque:
Consorzio per l’incremento dell’irrigazione nel territorio cremonese
http://www.consorzioirrigazioni.it
Ordine degli ingegneri della provincia di Cremona
http://www.ording.cr.it
POLITECNICO DI MILANO
Master universitario interfacoltà di II livello in
Governo del territorio e delle risorse fisiche
Ingegneria del suolo e delle acque
http://www.cremona.polimi.it/msa
Indice
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109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
Le estensioni disponibili per ArcView
ArcView 3D Analyst
Analisi integrata di dati spaziali ed attributi
Metodi di interpolazione spaziale
Campionamento dei dati
Metodi di interpolazione maggiormente utilizzati in ambiente Gis
Possibili considerazioni
Creating surface models (TINs)
Modellazione dell’ortofotocarta rispetto al modello TIN
Sovrapposizione dell’aerofotogrammetrico al fotopiano modellato e
tridimensionalizzazione dell’urbanizzato presente
Sovrapposizione del Prg vigente
101
101
101
102
102
103
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107
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111
113
101
108. Le estensioni disponibili per ArcView
Le estensioni di ArcView sono moduli che implementano le capacità del prodotto.
i.
ArcView Network Analyst è la soluzione ai problemi stradali su ogni sequenza di linee
interconnesse, trovando il miglior percorso ed identificando locations dai principali accesi.
ii.
ArcView Spatial Analyst è la gestione discreta e matriciale delle informazioni territoriali.
Strumento potentissimo, è un vero “GIS nel GIS” adatto a realizzare modelli e interpretare
fenomeni territoriali.
iii.
ArcView 3D Analyst crea un modello tridimensionale realistico di territori e altre superfici
utilizzando immagini aerospaziali e satellitari per valorizzare i dati tradizionali del GIS.
109. ArcView 3D Analyst
Permette di integrare i dati 3D nelle analisi, creare e modificare modelli di superficie, creare
sheapefile 3D, avviare in modo semplice l’editing di TINs. e la visualizzazione planimetrica delle
superfici.
L'estensione ArcView 3D Analyst permette all'utente di creare, analizzare e visualizzare dati di
superficie. E' ideale per modellare la superficie è ideale per utenti principianti ed esperti, le sue
funzionalità rispondono hai bisogni di coloro che eseguono analisi e visualizzazione della
superficie.
Le funzionalità di ArcView 3D Analyst includono il supporto per TINs (triangulated irregular
networks), geometria vettoriale 3D e viste interattive prospettiche.
Le funzionalità più comuni sono accessibili da menu e toolbar che sono aggiunti all'interfaccia di
Arcview GIS quando l'estensione è installata.
110. Analisi integrata di dati spaziali ed attributi
Prima di iniziare a trattare specificatamente l’estensione ArcView 3D Analyst, credo si doveroso
fare il punto mediante alcune definizioni e richiami selezionati alla prolissa bibliografia disponibile
in materia di metodi e modelli.
“Spatial interpolation is the procedure of estimatine the values of properties at unsampled sites
within an area covered by existing observations.”(Waters, 1989)
Interpolazione: stima dei valori in un sito in cui non si hanno informazioni, sulla base delle
informazioni presenti in aree circostanti
102
L’interpolazione è un problema complesso a causa di: i. ampio range di applicazione; ii. importanza
della distribuzione spaziale dei dati disponibili; iii. utilizzato per la creazione di superfici partendo
da misure puntuali.
Quindi come è noto i la maggior parte dei dati ambientali disponibili, spesso sono raccolti come
osservazioni discrete, come punti o lungo dei transetti. Ad esempio rilievi pedologici, stazione
meteo, transetti vegetazionali, misure idrogeologici, ecc.
A tal proposito si rileva fondamentale la necessità di convertire dati discreti in dati continui al fine
di poterli integrare con altri tematismi in un GIS per effettuare analisi complesse.
111. Metodi di interpolazione spaziale
Esistono molti metodi a disposizione, classificati secondo:
i.
esatti o approssimati,
ii.
deterministici o stocastici,
iii.
locali o globali,
iv.
graduali o bruschi.
Ad esempio:
i.
Poligoni di thiessen o Voronoi,
ii.
spatial moving average e altre tecniche matematiche,
iii.
Kriging (geostatistica),
iv.
TIN
112. Campionamento dei dati
Il metodo di campionamento utilizzato per rilevare i dati ambientali da sottoporre ad analisi è
fondamentale per la scelta di un metodo di interpolazione. A seguire si riportano alcuni esempi di
campionamento di dati.
Regolare
Random
Transetti
Stratified random
Cluster
Contour
103
A questo punto una domanda non banale potrebbe essere quella: ma in che modo scegliere il
metodo di campionamento?
Quindi potrebbe essere utile sapre che vi sono diversi metodi:
i.
metodi globali: singole funzioni matematiche applicate a tutti i punti,
ii.
metodi locali: singole funzioni matematiche applicate ad una parte della totalità dei punti
campionati,
iii.
metodi esatti: la superficie risultante passa esattamente in tutti i punti del data set, valida
con dati molto accurati
iv.
metodo approssimato: la superficie risultante NON passa esattamente in tutti i punti del
data set, valida con dati molto accurati con alto grado di incertezza
v.
metodi graduali: produce superfici lisciate (smussate) che passano per tutti i punti
(appropriata per l’interpolazione di dati con piccola variabilità locale),
vi.
metodi bruschi: produce superfici lisciate a gradini (appropriata per l’interpolazione di dati
con grandi variabilità locali o con forti discontinuità),
vii.
metodi deterministici: usati quando sussistono sufficienti conoscenze circa la superficie da
modellare (permette di utilizzare modelli matematici specifici),
vii.
metodi stocastici: utilizzati per incorporare variabili random nelle superfici da interpolare.
113. Metodi di interpolazione maggiormente utilizzati in ambiente Gis
i.
ii.
iii.
iv.
v.
Poligoni di Thiessen o Voronoi.
Triangulated Irregular Networks (TINs).
Spatial moving average o altre tecniche matematiche.
Trend Surfaces.
Kriging.
i. Poligoni di Thiessen o Voronoi
Poligoni di Thiessen o diagrammi di Voronoi poligoni con numero variabile di lati che racchiudono
tutti i punti posti alla minima distanza dal centro del poligono.
È basato sul modello dati vettoriale
Suddivisione dello spazio in
unità poligonali (regioni)
circostanti ciascuno dei punti
oggetto di interpolazione, in
maniera tale che tutti i punti
nella regione circostante il
punto pi siano più prossimi
ad esso che a qualsiasi altro
punto.
Il risultato consiste
nell'individuazione dei
confini delle regioni
pertinenti a ciascun punto, in
modo tale che essi siano a
metà della distanza tra due
punti adiacenti.
104
ii. Triangulated Irregular Networks (TINs)
Set punti distribuiti irregolarmente connessi a forma di un set di triangoli o meglio, suddivisione in
triangoli irregolari i cui vertici rappresentano punti di caratteristiche note.
È basato sul modello dati vettoriale.
Terne di punti prossimi fra loro vengono
individuate come vertici di faccette triangolari.
La superficie risultante è una mosaicatura
completa di triangoli irregolari.
iii.
Spatial moving average o altre tecniche matematiche
Applicabile con i modelli dati vettoriale e
raster: è diffuso in quasi tutti i GIS, calcola
nuovi valori di ogni punto basandosi sui valori
dei punti limitrofi, viene effettuata una media
pesata dei valori dei punti noti.
I pesi vengono calcolati inversamente alla
distanza rispetto al punto considerato.
Esiste un opzione che assegna la distanza
limite: è necessario scegliere il numero di punti
limitrofi (filter).
iii.i. Inverse distance weighting (IDW)
È una delle tecniche più comuni. Si assume che
i punti siano via via meno correlati fra loro in
funzione della distanza. Il risultato è una
superficie che deriva dalla media dei valori del
punto in esame e degli n punti più prossimi,
pesata sulla distanza.
105
iii.ii. Regularized smoothing Spline with Tension Regularized smoothing Spline with Tension
Metodo basato sull'utilizzo di funzioni radiali
per interpolare dati puntiformi molto
sparpagliati.
È possibile intervenire su un parametro di
“tensione” e su un parametro di “smoothness”
che controllano il modo in cui una superficie
elastica viene “drappegiata” sui punti.
Il risultato è una funzione derivabile e continua.
iv.
Trend Surfaces
Usa polinomi di regressione per adattare una
superficie (minimi quadrati) a tutti i punti.
Permette all’utente di scegliere l’ordine del
polinomio che crea una superficie che meglio si
adatta ai punti in esame. Al crescere dell’ordine
del polinomio cresce la complessità della
superficie, alti ordini del polinomio non
generano necessariamente più accurate
superfici. Minore è il valore dell’RMS, meglio
la superficie rappresenterà i dati di input, gli
ordini più comuni dei polinomi sono dal 1 al
3.
v. Kriging
Tecnica di interpolazione sviluppata in campo
minerario da D. G. Krige.
Metodo basato sulla teoria delle variabili
regionali (geostatistica). Assume che la
variazione spaziale rappresentata dai valori dei
punti sia statisticamente omogenea, usa
funzioni matematiche per modellare la
variazione della coordinata z all’interno
dell’area dei punti campionati.
La variazione è misurata usando la semi
varianza e con la costruzione di un semi-variogramma, grafico con in ordinatela semi varianza e in
ascisse la distanza tra le coppie dei punti. (Semivariogramma: metodo per predire l'autocorrelazione
spaziale, ed evidenziare drift e spatial autocorrelation, noti i quali è possibile interpolare).
106
114. Possibili considerazioni
La qualità del risultato dell’interpolazione (accuratezza) dipende da:
i.
ii.
iii.
iv.
l’accuratezza dei punti noti,
dal loro numero, rilevazioni prodotte (1, 10, 100, 1000, 10000, ecc.),
dalla loro distribuzione spaziale,
dalle funzioni matematiche adottate.
Le funzioni matematiche, approssimano il fenomeno spaziale (ed esempio: quota, temperatura e
tutti i fenomeni fisici) e poi estrapolano i valori non noti, da ciò, la scelta del modello di calcolo è
essenziale per l’ottenimento di risultati “ragionevoli”.
Risultato migliore = funzione matematica che meglio rappresenta il fenomeno fisico
Ad esempio la variazione di temperatura ha una variabilità regolare cosa non rilevabile con le
variazioni altimetriche o con alcuni inquinanti.
107
115. Creating surface models (TINs)
Ora si creerà una superficie utilizzando l’algoritmo di interpolazione TINs (Triangulated Irregular
Networks). La prima operazione da compiere per poter creare la superficie è quella di caricare
l’estensione ArcView 3D Analyst.
Attivando l’estensione 3D
Analyst, verrà aggiunta anche
l’icona nella finestra di
progetto di ArcView.
Premendo il tasto New della
finestra di progetto verranno
aperte due nuove finestre, sotto
riportate.
La prima in cui
verranno caricati i temi
e nella seconda in cui saranno
visualizzati (3D View).
Qui sopra è stata riportata la barra dei pulsanti
che è possibile utilizzare quando si è aperta la 3D
Scene.
Come precedentemente spiegato per le View anche per tale 3D Scene si devono impostare le
proprietà, quindi dalla barra dei pulsanti Æ 3D Scene Æ Properties
In cui è possibile impostare:
i.
Name
ii.
Map Units
iii.
Background color
iv.
v.
Sun azimuth
Sun altitude
L’obbiettivo è quello di realizzare una superficie identica, per l’algoritmo di approssimazione
utilizzato, a quella riprodotta a pag. xx, partendo dal tema puntuale “pt_qta_select.shp”.
108
Quindi dalla voce Surface:
Selezionando la voce Create TIN from Features, sarà aperta una finestra, ove nel box di sinistra
viene riportato il nome del tema caricato.
Quindi la prima operazione da effettuare è quella di selezionare la colonna quota dal menu a
discesa, al fine di attribuire alla voce Height surce il valore della quota del terreno in quel punto.
Al termine premendo il tasto OK si aprirà una seconda finestra, la quale richiede la directory di
dove si vuole salvare il Tin elaborato.
Al termine del processo di interpolazione verrà visualizzata di defaul la superficie nella 3D Viewer,
sempre di default verrà rappresentata la legenda ordinata in senso decrescente rispetto alle quote.
Premendo il tasto Edit Legend, verrà aperta la finestra del TIN Legend Editor sotto
rappresentata.
109
Il Legend Editor per la superficie ha una struttura
maggiormente articolata rispetto a quella di un
tematismo poligonale, lineare o puntuale.
Infatti con tali opzioni possiamo “suddividere” e
quindi rappresentare a nostro piacere la superficie
prodotta dall’interpolazione solo con le facce
“Faces”, opzione spuntata di default (immagine
sopra rappresentata).
Oppure solo mediante i punti - linee o solo da linee.
Si vedano le successive rappresentazioni.
Per entrambe le rappresentazioni e possibile
modificare gli stili di visualizzazione mediante il
tasto Edit e successivamente Apply.
116. Modellazione dell’ortofotocarta rispetto al modello TIN
Si carichi nella View la porzione di ortofotocarta
(precedentemente georeferenziata), Fotopiano2va.ipg, si ricordi
di attivare l’estensione per la lettura delle immagini raster di
formati *.jpg e successivamente quando si preme il tasto per
aggiungere un tema ci si ricordi di selezionare dal menu a
discesa Image Data Surce.
Una volta presente
l’immagine raster
del fotopiano nella
finestra di progetto
e quindi visibile
nella View una
volta accesa, si
effettui una copia
nella finestra di
progetto 3D Scene.
Come si osserva il
raster non è ancora
modellato.
110
Quindi al fine di modellare il fotopiano, come se fosse una pellicola
adagiata su una superficie con delle asperità si deve, dal menu dei
comandi con il tema del fotopiano in rilevo, selezionate
Theme Æ 3D Properties.
Azionato tale comando si aprirà una finestra come quella sotto rappresentata.
Come si nota dall’immagine sono le proprietà
tridimensionali del Theme Fotopiano2va.jpg.
Come immediatamente si nota di default e spuntata
la voce Value or expression alla quale nel bob alla
sua destra viene assegnato di defaul il valore zero
(0). Quindi al fine di modellare il fotopiano sulla
superficie del TIN basta spuntare la voce Surface e,
se non dovesse essere gia presente, andare a cercare
dove precedentemente si è salvato il TIN.
Avendo completato correttamente i passaggi sopra
descritti e premendo il tasto Apply nella finestra, il
fotopiano rappresentato nel Viewer dovrebbe
modellarsi come l’immagine sotto riportata.
Si fa notare che la
qualità del render
fornito dal
Viewer dipende
quasi la totalità
dalla risoluzione
del fotopiano in
input.
111
117. Sovrapposizione dell’aerofotogrammetrico al fotopiano modellato e tridimensionalizzazione
dell’urbanizzato presente
Ora il passaggio che si vuole descrivere consiste nella sovrapposizione, a quanto ottenuto nel
precedente capitolo, con l’aerofotogrammetrico il quale è stato depurato di tutto tranne
dell’urbanizzato. Al fine successivamente di procedere con l’estrusione dei singoli edifici rispetto
alle loro reali altezze (calcolate mediante la sottrazione dalla quota di gronda la quota di terra). Tali
calcoli sono stati prodotti a parte, non in ambiente ArcView. In un secondo momento, è stata
popolata la tabella attributi relativa al tema dell’urbanizzato, al fine di ottenere una colonna di nrecord, quanti sono gli edifici presenti, all’interno della quale sono contenute tutte le altezze
calcolate. Quindi si apra i tema Pl_Afg_shp
Come si evince dall’immagine sopra riportata vi è una perfetta sovrapposizione tra
l’aerofotogrammetrico vettoriale e l’ortofotocarta (si osservi l’immagine a destra riportata). Quanto
precedentemente esposto trova conferma nell’estratto della tabella attributi del tema poligonale
dell’urbanizzato. Ora come effettuato precedentemente con il tema raster effettuiamo una copia
nella finestra progetto del 3D Viewer.
112
Come è logico aspettarsi la posizione dell’urbanizzato si troverà sotto la modellazione del
fotopiano, quindi dalle proprietà 3D, Theme Æ 3D Properties.
Come effettuato per la modellazione del
fotopiano rispetto alla superficie del TIN, anche
in questo caso si deve dare come riferimento di
Surface il TIN precedentemente elaborato.
Ora si deve richiedere ad ArcView di estrudere i
poligoni, rappresentativi dell’urbanizzato,
rispetto al valore computato nella colonna
Altezza presente nella tabella attributi.
Premendo sul tasto evidenziato si aprirà
una finestra Expression Builder,
all’interno di
tale finestra
dovremo
selezionare
la colonna
altezza come
riferimento.
Un ultima impostazione, ma per questo non meno importante, risulta essere la selezione della voce
Adding to base heighter dal menu a discesa.
Al fine di produrre una leggera trasparenza dell’urbanizzato, basta premere sul tasto Advanced e
sceglier un valore di circa il 10% alla voce Percent Trasparent. Al fine di ottenere un’immagine
simile a quella sotto riportata.
113
118. Sovrapposizione del Prg vigente
Come esempio prendiamo il tema vettoriale del Prg vigente, ma è ovvio che potremmo prendere
qualsiasi altro strato informativo (carta pedologica, uso del suolo, piano assetto idrogeologico ecc.),
quindi apriamo prima nella View il tema Prg_select_region.shp e successivamente lo copiamo nella
finestra di progetto del Viewer 3D.
Il procedimento ormai è sempre il medesimo,
ovvero si deve porre il Prg sulla superficie del
fotopiano modellata sul TIN, quindi si deve
spuntare la voce Surface e selezionare il TIN
precedentemente creato.
Ora al fine di rendere evidenti le singole zone
omogenee del Prg è opportuno dare un leggero
incremento alla voce Estrude feature … al fine
di estrudere le regioni rappresentanti le zone
omogenee (si tiene a precisare che le retinature
non è possibile mantenerle quindi è opportuno
selezionare dei colori pieni).
Alla voce Advanced al fine di migliorare
l’output è preferibile utilizzare un 15% alla
voce Percent Trasparent
Al fine di ottenere verosimilmente una
rappresentazione come quella sotto riportata.