Analisi e visualizzazione di mappe storiche in ambiente GIS (Sistemi

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Analisi e visualizzazione di mappe storiche in ambiente GIS (Sistemi
Liceo scientifico G. Terragni, 14/03/2012
Analisi e visualizzazione di mappe storiche in
ambiente GIS (Sistemi Informativi Geografici)
Marco Minghini, Luana Valentini
Politecnico di Milano, DIIAR – Laboratorio di Geomatica del Polo Territoriale di Como
Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche
✔ Contestualizzazione storico-culturale
✔ Digitalizzazione
✔ Georeferenziazione
✔ Documentazione mediante metadati
✔ Distribuzione sul Web
✔ Analisi spazio-temporali 2D e 3D
2
Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche
✔ Contestualizzazione storico-culturale
✔ Digitalizzazione
✔ Georeferenziazione
✔ Documentazione mediante metadati
✔ Distribuzione sul Web
✔ Analisi spazio-temporali 2D e 3D
3
Contestualizzazione storico-culturale
4
✔ Preliminare a tutte le successive analisi è lo studio delle caratteristiche
specifiche della cartografia storica esaminata:
➔
contesto storico-culturale
➔
data
➔
autore
➔
committenza
➔
motivo o scopo della rappresentazione
➔
tecnica e strumentazione utilizzate
➔
presenza di documentazione di corredo
Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche
✔ Contestualizzazione storico-culturale
✔ Digitalizzazione
✔ Georeferenziazione
✔ Documentazione mediante metadati
✔ Distribuzione sul Web
✔ Analisi spazio-temporali 2D e 3D
5
Digitalizzazione
✔ L'acquisizione digitale o digitalizzazione
è il trasferimento della carta antica dal
supporto analogico a quello digitale:
➔
garanzia di non degrado fisico
➔
maggiore facilità di accesso
➔
accesso contemporaneo di più utenti
➔
analisi mediante strumenti digitali
✔ La digitalizzazione deve assicurare che
l'originale non venga danneggiato e che
le deformazioni del supporto vengano
ridotte al minimo.
6
Digitalizzazione - modalità
7
✔ A seconda del tipo di supporto analogico e del corrispondente strumento
adottato, la digitalizzazione di cartografia antica si può classificare in:
➔
acquisizione diretta (tecnica “a contatto”) mediante scanner ad alta
risoluzione, se il supporto è piano
Digitalizzazione - modalità
8
✔ A seconda del tipo di supporto analogico e del corrispondente strumento
adottato, la digitalizzazione di cartografia antica si può classificare in:
➔
acquisizione indiretta (tecnica “senza contatto”) mediante metodi di
rilievo tridimensionale (fotogrammetria e laser scanning), se il
supporto non è piano
Digitalizzazione diretta - parametri
9
✔ L'acquisizione diretta prevede la definizione di una serie di parametri,
che devono essere rigorosamente documentati (Istituto Centrale per il
Catalogo Unico delle biblioteche italiane e per le informazioni
bibliografiche 2006, Linee guida per la digitalizzazione del materiale
cartografico):
➔
risoluzione: numero di unità immagine (pixel) per unità di lunghezza,
solitamente espresso in dpi (dots per inch, 1 inch = 2,54 cm)
✔
➔
profondità di colore: numero di bit dedicati alla memorizzazione del
valore di ogni pixel in ogni banda R,G,B dell'immagine
✔
➔
STANDARD DE FACTO: 300 dpi
STANDARD DE FACTO: 8 bit per banda (cioè 2 8 = 256 colori), che
corrispondono a 8 x 3 = 24 bit complessivi (cioè 2563 ≈ 17000000 colori)
formato e compressione: formato di salvataggio del dato immagine
✔
✔
master file (di solito TIFF) + access file (di solito JPEG)
formati multirisoluzione (MrSID, ECW, XL Image, JPEG2000)
Web C.A.R.T.E.
10
✔ Presso l'Archivio di Stato di Como sono conservate circa 15000 mappe
storiche catastali, corrispondenti a diverse serie:
➔
Catasto Teresiano (1718-1722)
➔
Catasto Lombardo-Veneto (1854-1858)
➔
Aggiornamenti (1898)
➔
Nuovo Catasto Terreni (1905)
✔ Il
progetto Web C.A.R.T.E. (Web Catalogo e Archivio delle
Rappresentazioni del Territorio e delle sue Evoluzioni) è stato avviato nel
2010 dal Polo Territoriale di Como del Politecnico di Milano, in
collaborazione con l'Archivio di Stato di Como e grazie al finanziamento
della Fondazione Provinciale della Comunità Comasca Onlus.
✔ Scopo del progetto è la valorizzazione di questo importante patrimonio
storico-culturale mediante le più recenti tecniche digitali e GIS.
Web C.A.R.T.E. - digitalizzazione
11
✔ A
partire dal 2001, le cartografie
storiche preservate in Archivio di Stato
erano consultabili solo nelle loro
versioni digitali (file PDF in bianco e
nero), ottenute dalla digitalizzazione di
precedenti riproduzioni in microfilm.
✔ L'inadeguatezza
di tale archivio
digitale ha suggerito una nuova
campagna
di
digitalizzazione,
promossa dall'Archivio di Stato a
partire dal 2010 mediante la
sottoscrizione di convenzioni con
tutti i comuni interessati.
12
Web C.A.R.T.E. - digitalizzazione
✔ Catasto Teresiano:
Dimensioni foglio mappa cartacea
72 x 50 cm
Risoluzione
300 dpi
Profondità di colore
36 bit
Formato
TIFF, JPEG
Dimensione foglio mappa digitale
8504 x 5910 pixel
Dimensione su disco foglio mappa digitale
140 MB (TIFF), 45 MB (JPEG)
13
Web C.A.R.T.E. - digitalizzazione
✔ Catasto Lombardo-Veneto, Aggiornamenti e Nuovo Catasto Terreni:
Dimensioni foglio mappa cartacea
72 x 55 cm
Risoluzione
300 dpi
Profondità di colore
36 bit
Formato
TIFF, JPEG
Dimensione foglio mappa digitale
8504 x 6496 pixel
Dimensione su disco foglio mappa digitale
160 MB (TIFF), 10 MB (JPEG)
Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche
✔ Contestualizzazione storico-culturale
✔ Digitalizzazione
✔ Georeferenziazione
✔ Documentazione mediante metadati
✔ Distribuzione sul Web
✔ Analisi spazio-temporali 2D e 3D
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Georeferenziazione
15
✔ Conversione della mappa storica da immagine digitale a dato geografico
✔ (x,y) = coordinate immagine
✔ (φ,λ) = coordinate geografiche
✔ (X,Y) = coordinate carta
✔ χ = trasformazione proiettiva
✔ ψ = proiezione cartografica
occorre un'approssimazione
della funzione incognita ψ◦χ-1!
16
Georeferenziazione
✔ Il link tra coordinate immagine (x,y) e coordinate carta (X,Y) viene stabilito
mediante Ground Control Points (GCPs), punti di cui siano conosciute le
coordinate sia sull'immagine, sia in un sistema di riferimento odierno.
✔ Essi possono derivare da:
➔
➔
rilievo diretto sul campo (topografia, GPS)
cartografia numerica esistente
Georeferenziazione - modelli
17
✔ I modelli di georeferenziazione si possono classificare in diversi modi:
➔
globali: utilizzano tutti i GCPs per stimare un'unica trasformazione su
tutta l'immagine
➔
locali: utilizzano ogni volta un numero limitato di GCPs per stimare
una serie di trasformazioni su aree limitate dell'immagine
o, alternativamente, in:
➔
non esatti: le posizioni stimate dei GCPs non coincidono con quelle
osservate (stima ai minimi quadrati)
➔
esatti: le posizioni stimate dei GCPs coincidono con quelle osservate
Georeferenziazione - modelli
✔ I modelli di georeferenziazione più usati sono:
18
Georeferenziazione - modelli
✔ I modelli di georeferenziazione più usati sono:
➔
trasformazione proiettiva (globale non esatto)
➔
reti neurali artificiali (globale non esatto)
➔
polinomi locali (locale non esatto)
➔
spline (locale non esatto)
➔
spline multi-risoluzione (locale non esatto)
➔
thin plate spline (locale esatto)
➔
trasformazione a elementi finiti (locale esatto)
➔
warping (locale esatto)
19
Georeferenziazione - valutazione dei risultati
20
✔ Valutazione quantitativa - per i modelli esatti è necessario disporre anche
di Check Points (CPs), punti di cui siano conosciute le coordinate sia
sull'immagine, sia in un sistema di riferimento odierno, ma che non
vengono utilizzati per il calcolo del modello):
➔
analisi delle statistiche dei residui sui GCPs e CPs
✔
✔
✔
✔
✔
media
deviazione standard
minimo
massimo
RMSE
Georeferenziazione - valutazione dei risultati
✔ Valutazione qualitativa:
➔
sovrapposizione con la cartografia moderna
➔
griglie di deformazione
➔
vettori di deformazione
21
Web C.A.R.T.E. - georeferenziazione
22
✔ Mosaicatura dei fogli catastali di ogni serie e di ogni comune censuario,
dopo l'applicazione a ciascuno di una roto-traslazione con fattore di scala:
Web C.A.R.T.E. - georeferenziazione
23
✔ GCPs e CPs sono ricavati dai DB Topografici dei singoli comuni (UTM
WGS84, scala variabile da 1:1000 a 1:5000):
✔ sono identificati come spigoli di edifici, angoli di strade e confini comunali
✔ sono disposti nel modo più uniforme possibile (campionamento casuale a
strati) nelle proporzioni di 80% (GCPs) e 20% (CPs)
Web C.A.R.T.E. - georeferenziazione
24
✔ I modelli di georeferenziazione testati sono:
➔
modello polinomiale (grado da 1 a 5): interpolatore non esatto (stima a
minimi quadrati), superficie stimata liscia con filtraggio degli errori
➔
thin plate spline: interpolatore esatto (senza stima a minimi quadrati),
superficie stimata irregolare con effetti localizzati in aree prive di GCPs
✔ Valutazione qualitativa dei risultati:
thin plate
spline
modello
polinomiale
25
Web C.A.R.T.E. - georeferenziazione
✔ Valutazione quantitativa dei risultati:
Catasto Teresiano
Catasto Lombardo-Veneto 1858
MEDIA
DEV.ST.
MIN
MAX
RMSE
MEDIA
DEV.ST.
MIN
MAX
RMSE
polinomio
ordine 1
4.953
3.368
0.529
11.667
6.063
1.866
0.992
0.234
3.994
2.148
polinomio
ordine 2
5.017
3.031
0.804
14.292
5.943
1.582
0.678
0.377
3.117
1.751
polinomio
ordine 3
4.251
3.461
0.465
15.124
5.542
1.555
0.686
0.425
3.092
1.729
polinomio
ordine 4
4.105
2.485
0.906
10.630
4.868
1.516
0.654
0.447
2.904
1.679
polinomio
ordine 5
4.062
2.811
0.424
12.371
5.004
1.563
0.682
0.320
3.131
1.735
thin plate
spline
4.180
3.692
0.310
16.890
5.636
1.867
1.213
0.252
5.888
2.257
media, deviazione standard, minimo, massimo e RMS del modulo dei residui sui CP (in metri), per le mappe del Catasto
Teresiano e Lombardo-Veneto della Città Murata di Como e per ogni modello di georeferenziazione
Web C.A.R.T.E. - georeferenziazione
26
✔ Scelta del modello polinomiale per georiferire ciascuna mappa:
➔
➔
valutazione dell'RMSE sui CPs per valutare l'accuratezza
test di Fisher sui residui sui GCPs per confrontare la precisione di
modelli polinomiali di ordine consecutivo: se l'incremento di precisione
del modello di ordine m, rispetto al modello di ordine m-1, non è
statisticamente significativo, ci si ferma al modello di ordine m-1
✔
IPOTESI H0: i polinomi do ordine m-1 e m hanno la stessa precisione
✔
✔
STATISTICA:
✔
l'ordine ottimo del polinomio è il minimo tra quello che fornisce la
massima accuratezza (minimo RMSE) sui residui sui CPs, e quello
che deriva dal test di Fisher sui residui sui GCPs.
Web C.A.R.T.E. - georeferenziazione
✔ Integrazione e confronto con la cartografia attuale:
27
Web C.A.R.T.E. - georeferenziazione
✔ Mappa dei residui per l'analisi del campo di deformazione:
28
Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche
✔ Contestualizzazione storico-culturale
✔ Digitalizzazione
✔ Georeferenziazione
✔ Documentazione mediante metadati
✔ Distribuzione sul Web
✔ Analisi spazio-temporali 2D e 3D
29
Documentazione mediante metadati
30
✔ Il passo seguente è la documentazione delle mappe storiche digitalizzate
e georiferite in termini di metadati
✔ Le SDI (Spatial Data Infrastructures) promuovono la condivisione e l'uso
efficiente dell'informazione geografica, definendo modelli di metadati a
diversi livelli:
➔
internazionale: ISO TC211
✔
➔
ISO 19115:2003 Geographic Information - Metadata
europeo: CEN TC287 e Comunità Europea
✔
EN ISO 19115:2005 Geographic Information – Metadata
✔
European Directive 2007/2/CE (INSPIRE)
31
Documentazione mediante metadati
➔
Italiano:
CNIPA (rinominato DigitPA col D.Lgs. 177/2009):
✔
✔
mappe mosaicate
georeferenziate
Repertorio Nazionale dei Dati Territoriali - Linee guida per l'applicazione
dello Standard ISO 19115 Geographic Information – Metadata (2006)
Regolamento recante regole tecniche per la definizione del contenuto del
Repertorio nazionale dei dati territoriali, nonché delle modalità di prima
consultazione e aggiornamento dello stesso (2009)
✗ 33 “Core Metadata”, raggruppati in 7 classi contenenti informazioni su:
metadati, identificazione dei dati, vincoli sui dati, qualità dei dati, origine e
produzione dei dati, sistema di riferimento dei dati, distribuzione dei dati
ICCU, Gruppo MAG (Metadati Amministrativi Gestionali):
✔
✔
singoli fogli non
georeferenziati
Linee guida per la digitalizzazione del materiale cartografico (2006)
Reference Schema MAG v. 2.0.1 (2009)
✗ i 15 metadati dello standard Dublin Core: titolo, creatore, soggetto, editore,
descrizione, autore di contributo subordinato, data, tipo, identificatore,
formato, fonte, lingua, relazione, copertura, gestione dei diritti
Web C.A.R.T.E. - documentazione mediante metadati
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✔ Gestione online di dati e metadati mediante un geocatalogo web:
Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche
✔ Contestualizzazione storico-culturale
✔ Digitalizzazione
✔ Georeferenziazione
✔ Documentazione mediante metadati
✔ Distribuzione sul Web
✔ Analisi spazio-temporali 2D e 3D
33
Web mapping: condivisione e diffusione in rete
dell’informazione geografica
34
✔ Un WebGIS è un Sistema Informativo Geografico (GIS) pubblicato sul web
➔
estensione al Web degli applicativi nati e sviluppati per la gestione la
cartografia numerica
➔
pubblicazione dell'informazione geografica attraverso Internet
➔
diverse tipologie di utenti possono accedere ai dati
➔
consultazione dei dati con un normale browser
✔
no software specifico
✔
✔
no competenze specialistiche
Web mapping: condivisione e diffusione in rete
dell’informazione geografica
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✔ Un WebGIS è composto da due parti:
Il web client è la parte
dell’applicazione con cui
l’utente finale interagisce.
Il web server è l’ambiente che renderà possibile la pubblicazione del lavoro e
accoglierà le richieste provenienti dall’applicazione client (quella con cui
l’utente interagisce) per passarle al map server.
Quest'ultimo interpreta tali richieste e produce di conseguenza degli output
(le mappe) che vengono spedite al client di nuovo attraverso il web server.
Dati - servizi WMS
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✔ Un Web Map Service (WMS) è un servizio che produce dinamicamente mappe di
dati spazialmente riferiti, a partire da informazioni geografiche. Questo standard
internazionale definisce una "mappa" come rappresentazione di informazioni
geografiche, restituendo un'immagine digitale idonea ad essere visualizzata
su browser web.
✔ Le operazioni del Web Map Service vengono invocate usando un client che
supporti il protocollo HTTP, in forma di URL, che dipende dalle operazioni
richieste. In particolare, la URL indica quali informazioni devono essere
visualizzate sulla mappa, quale porzione della Terra deve essere rappresentata, il
sistema di coordinate desiderato, il formato e le dimensioni dell'immagine di
output.
✔ Qualora due o più mappe siano prodotte con gli stessi parametri geografici e di
dimensione dell'immagine, i risultati possono essere sovrapposti per produrre una
mappa composita. L'uso di formati che supportano la trasparenza (GIF o PNG per
esempio) permette di visualizzare le parti di mappa sottostanti; inoltre mappe
diverse possono essere richieste a differenti server. In questa maniera il Web Map
Service abilita la creazione di una rete di server cartografici che l'utente può
utilizzare per costruire mappe personalizzate.
Dati - servizi WMS
✔ Esempio: Geoportale Nazionale - Ortofoto 2006
http://www.pcn.minambiente.it
37
Dati - ortofoto e carte storiche
✔ Le mappe georiferite possono essere sovrapposte ai dati attuali:
38
Dati - informazioni aggiuntive
39
✔ Informazioni aggiuntive possono essere tratte da mappe del Comune di
Como o da libri, ad esempio:
➔
epoca di costruzione degli edifici esistenti
➔
edifici sottoposti a tutela
➔
antiche parrocchie
➔
...
Dati - informazioni aggiuntive
✔ Associazione ai dati delle informazioni aggiuntive:
40
Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche
✔ Contestualizzazione storico-culturale
✔ Digitalizzazione
✔ Georeferenziazione
✔ Documentazione mediante metadati
✔ Distribuzione sul Web
✔ Analisi spazio-temporali 2D e 3D
41
2D Map Panel
42
✔ Possibilità di visualizzare diverse serie catastali sovrapposte, e cambiarne
la trasparenza per poter valutare le differenze tra le diverse serie e con la
situazione attuale
Internet e il 3D
✔ Vantaggi di una visualizzazione 3D:
➔
completezza nella rappresentazione dei dati geografici
➔
rappresentazione più realistica
➔
maggior potere espressivo
➔
lettura e analisi dei dati più efficace
➔
navigazione più intuitiva
43
Globi virtuali
44
✔ I globi virtuali (o mappamondi virtuali) sono correntemente utilizzati
in campo geo-cartografico sia per la didattica che per la ricerca
scientifica. La transizione, dalla nascita all'attuale grande diffusione,
è stata incredibilmente breve: inizialmente considerati pseudoversioni alternative dei più noti stradari in formato digitale, indirizzati
ad automobilisti e turisti, essi si sono velocemente trasformati in
potenti visualizzatori di immagini del pianeta in tre dimensioni.
✔ L'esempio più noto è Google Earth, ma esistono anche versioni
open source, più adatte alla ricerca, come World Wind della NASA.
Nasa World Wind
45
✔ Modello 3D degli edifici, creato 'leggendo' gli attributi di altezza media e
periodo di costruzione:
http://historicalmaps.como.polimi.it
Interrogazioni temporali
46
✔ Utilizzando dei cursori, è possibile visualizzare solo gli edifici costruiti in
un determinato periodo (es. tra il 1646 e il 1951):
http://historicalmaps.como.polimi.it
47
Interrogazioni temporali
✔ Oppure, tutti gli edifici presenti in un determinato anno (es. 1872):
video
Web C.A.R.T.E. - WebGIS
48
✔ Visualizzazione 2D:
➔
versione per pc e per dispositivi mobile
➔
possibilità di affiancare due mappe della stessa porzione di territorio
(es. mappe di due serie diverse o mappa antica e mappa attuale)
➔
pannelli sincronizzabili (stessa area)
Web C.A.R.T.E. - WebGIS
49
✔ Street View:
➔
possibilità di attivare la visualizzazione di Google Street View,
permettendo di navigare direttamente il panorama attuale degli edifici
storici
50
Web C.A.R.T.E. - WebGIS
Video
51
Web C.A.R.T.E. - WebGIS
✔ Visualizzazione 3D:
➔
NASA World Wind Virtual Globe
➔
mappe storiche visualizzate come WMS sul globo
➔
barra temporale che facilita la visualizzazione cronologica delle mappe
➔
possibilità di gestire la trasparenza della mappa sovrapposta
video
Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche
52
Grazie per l'attenzione!
Marco Minghini
[email protected]
http://geomatica.como.polimi.it
Lunedì 16 marzo: aula A 3.7, via Castelnuovo (3° piano)