RICERCA ITALIANA     

Strutture evolute della cartografia numerica per i GIS e l'ambiente WEB

Università degli Studi di Pavia

Abstract

Il progetto si propone di:
- individuare le soluzioni che possono essere adottate per migliorare gli standard di qualità della cartografia numerica nel contesto nazionale italiano;
- definire criteri di generalizzazione per cartografia multiscala;
- sviluppare in modo completo il tema del contenuto 3D della cartografia numerica vettoriale e le sue connessioni con il DTM;
- definire i criteri generali per strutturare la cartografia numerica nel linguaggio GML3 e realizzare un'applicazione pratica multiscala di interessse nazionale
- realizzare un modello di GIS, basato sia su software commerciali che open source, nel quale siano compatibili tutti i tipi di dati oggi disponibili per la conoscenza del territorio e che sia finalizzato alla realizzazione di un Map server;
- realizzazione di un Map server che consenta la consultazione e il download di cartografia numerica.

Per attuare questi scopi verranno svolte le attività di ricerca nel seguito elencate.

1. Svolgimento di una ricerca approfondita per redigere uno stato dell'arte a livello nazionale sulla normativa per la realizzazione della cartografia numerica evidenziandone le eventuali carenze al riguardo dei seguenti aspetti:
- definizione dei livelli di congruenza geometrica e semantica
- definizione del contenuto 3D
- omogeneizzazione dei sistemi di codifica per le diverse scale di rappresentazione, per rendere congruente la coesistenza nell'ambito dei GIS di cartografie a scala diversa
- esistenza di procedure di controllo di qualità di tipo batch
- esistenza di norme per rendere compatibile l'uso di cartografie a scala diversa nell'ambito dei GIS.

2. Individuazione delle soluzioni per le carenze di normativa emerse dalla ricerca di cui al punto precedente e redazione delle linee guida per rendere operative tali soluzioni nella realizzazione della cartografia numerica.


3. Predisposizione di un'area test sulla quale siano disponibili i seguenti tipi di dati:
- cartografia numerica vettoriale a varie scale
- cartografia raster a varie scale
- ortofoto digitali
- immagini da aereo e da satellite
- DTM
- riprese LIDAR
- immagini multispettrali.

4. Realizzazione di cartografia numerica vettoriale 3D in linguaggio GML3 per sperimentare le norme contenute dalle linee guida di cui al precedente punto.

5. Realizzazione con tali dati di diversi GIS aventi le seguenti diverse connotazioni:
- pianificazione territoriale
- gestione delle risorse ambientali
- supporto alla prevenzione delle calamità naturali
- gestione delle emergenze.

I GIS verranno realizzati dalle unità operative con strumenti software differenti in modo da poter effettuare una valutazione comparativa delle funzionalità sotto diversi aspetti.
La realizzazione dei GIS sarà finalizzata alla definizione di norme di ottimizzazione della cartografia numerica in essi impiegata.

6. Realizzazione di un Map Server. Utilizzando uno o più GIS predisposti nella fase di ricerca descritta al precedente punto verrà realizzato un Map Server a struttura client-server utilizzando sia software commerciali, sia software open source. Questa realizzazione prenderà a modello la struttura di distribuzione di cartografia in Internet realizzata dall'Ordnance Survey inglese. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Riccardo GALETTO Università degli Studi di PAVIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

In Italia la produzione della cartografia viene svolta da tre soggetti principali: l'IGMI che produce la cartografia alle scale medio-piccole e piccole, il Catasto che produce la cartografia catastale e gli Enti Locali che producono la cartografia tecnica alle scale grandi e medie.
La cartografia dell'IGMI è ancora una cartografia tradizionale disegnata, anche se tra i prodotti che l'IGMI fornisce figurano le carte raster ottenute da quelle tradizionali e altri prodotti numerici, come ad esempio il DTM ottenuto dalle curve di livello della cartografia alla scala 1:25.000.
Anche la cartografia catastale è una cartografia tradizionale disegnata; circa un terzo di questa è stata trasposta in forma numerica mediante digitalizzazione.
Possiamo quindi dire che, al momento, né l'IGMI né il Catasto sono produttori di cartografia numerica vettoriale a grande scala. Questo ruolo viene invece svolto dall'Industria Fotogrammetrica, che da circa vent'anni, produce in forma numerica, con procedura fotogrammetrica, la cartografia alle scale grandi e medie per gli Enti locali (comuni, province, regioni, aziende municipalizzate, ecc.) in base a Capitolati predisposti caso per caso dalla Committenza.
Di fatto esistono molti capitolati che forniscono norme tecniche per la realizzazione della cartografia numerica, e molti sono anche ben strutturati. Essi però riflettono una delle conseguenze che si è avuta con il passaggio dalla cartografia tradizionale disegnata a quella numerica, e cioè la perdita di quel concetto di multivalenza universale che aveva la cartografia disegnata. Il committente della cartografia numerica esige che essa sia conforme a delle finalità molto precise e sia gestibile con il software di cui egli dispone. Da questo fatto ne deriva che si siano prodotte e si producano cartografie numeriche anche di grande qualità, ma sempre più diversificate, e che quindi non si sia arrivati ad uno standard di contenuti e di qualità come era avvenuto nel passato per la cartografia disegnata.
Gli aspetti negativi della mancanza di uno standard emergono con maggior evidenza quando la cartografia numerica viene utilizzata nell'ambito dei GIS. Infatti nei GIS la cartografia numerica non ha solo al funzione di fornire una rappresentazione del territorio e di costituire il riferimento spaziale per le informazioni di tipo descrittivo, ma deve anche prestarsi ad analisi in cui diventa essenziale il contenuto topologico. In altri termini la cartografia numerica dedicata ai GIS deve essere vista come un vero e proprio database. In questo senso sta infatti operando l'Intesa Stato-Regioni, che è l'Ente governativo che attualmente in Italia sta praticamente svolgendo le funzioni una volta assolte dalla Commissione Geodetica.
Il ritorno al concetto di multivalenza porta di conseguenza l'opportunità di diffonderla a un vasto numero di utenti; Internet è il mezzo ideale per attuare questa diffusione in tempo reale, in modo economico e indipendente dalla distanza fornitore-utente.
Da qui la necessità di creare dei Map Server opportunamente strutturati per rendere disponibile la cartografia numerica, i database topografici e i GIS via Internet.

In questo panorama così vasto e complesso vi sono alcuni problemi che emergono con evidenza. Uno riguarda il problema della coesistenza nell'ambito del GIS di cartografie vettoriali a scala diversa. Ad oggi infatti, nonostante i molti studi in proposito condotti sia a livello nazionale che internazionale, non esistono procedimenti consolidati di generalizzazione che consentano il passaggio in maniera automatica da cartografia a grande scala a delle sue generalizzazioni a scala minore; questi procedimenti infatti sono per il momento disponibili solo per alcuni aspetti della realtà del territorio ed inoltre si limitano in genere alla generalizzazione dal punto di visto della geometria e non di quella del contenuto semantico dell'informazione.
Occorre quindi affrontare il problema della coesistenza di cartografie a scale diverse nell'ambito del GIS e risolverne in modo organico gli aspetti della congruenza geometrica, della compatibilità delle codifiche, della omogeneizzazione del contenuto semantico dell'informazione.
Un secondo problema riguarda la definizione del contenuto 3D della cartografia vettoriale. Occorre definire anche per questo aspetto dei requisiti di contenuto minimali, fissare dei concetti di congruenza, prevedere tutte le connessioni e le incompatibilità che possono verificarsi tra il contenuto altimetrico della cartografia vettoriale e quello di un DTM ad essa associato.
Un terzo problema riguarda la struttura fisica dei dati; attualmente infatti tutta la produzione di cartografia numerica viene diffusa nel formato DXF o DWG, che non è idonea a trasferire tutti dati che devono oggi essere contenuti nei Data Base Topografici. Occorre quindi introdurre in modo sistematico e strutturatol'uso del linguaggio GML3 per l'archiviazione e la distribuzione della cartografia numerica. Questo problema implica anche una revisione degli attuali schemi, semantici,logici e fisici dei dati.

Un quarto problema riguarda l'uso delle ortofoto e, in generale, quello delle immagini e della cartografia raster. L'uso di queste fonti di informazione occorre che vengano individuate precise norme per la realizzazione e la validazione delle operazioni di georeferenziazione.

I problemi che sono stati presi in considerazione finora riguardano la fase di produzione della cartografia e di una corretta strutturazione delle varie informazioni di tipo cartografico nell'ambito dei GIS.
Vi sono però altri aspetti da prendere in considerazione quando il GIS viene pubblicato in Internet per realizzare una struttura di tipo client-server.
Vi sono problemi che riguardano il controllo di accesso ai dati, la velocizzazione della trasmissione dei dati, il grado di interazione che si vuole stabilire tra client e server e anche che tipo di funzionalità minimali devono essere consentite al client.
Anche questi problemi sono strettamente connessi alla struttura della cartografia vettoriale e raster gestita dal GIS e quindi l'ottimizzazione della cartografia va esaminata anche in relazione a questi problemi.

Gli scopi del progetto sono quindi i seguenti:
- inquadrare in un unico contesto generale tutti i problemi che sono stati precedentemente elencati e individuarne le connessioni e le interazioni;
- individuare le soluzioni che possono essere adottate per migliorare gli standard di qualità della cartografia numerica;
- sviluppare in modo completo il tema del contenuto 3D della cartografia numerica vettoriale e le sue connessioni con il DTM;
- definire una struttura della cartografia numerica in linguaggio GML e realizzare delle applicazioni pratiche da usare per i punti che seguono;
- realizzare un modello di GIS nel quale sia compatibili tutti i tipi di dati oggi disponibili per la conoscenza del territorio;
- definire e realizzare una struttura di Map server che serva di riferimento per la pubblicazione in rete di Web di mappe e di dati geografici;
- validare su un GIS appositamente realizzato le funzionalità dei principali software commerciali e open-source per la realizzazione di Map server.

Ciò verrà fatto tenendo presente non solo l'attuale situazione nazionale, ma assumendo come base di partenza anche i risultati delle ricerche internazionali. In particolare verranno presi in considerazione i risultati delle ricerche svolte dall'organizzazione europea EuroSDR alle quali hanno attivamente partecipato alcuni membri delle unità di ricerca che partecipano al progetto. <<<

Risultati parziali attesi

In linea generale il risultato che la ricerca deve produrre è il seguente:
realizzare diversi Map Server, realizzati con software commerciali e open-source, che rendano disponibili in Internet dei GIS nei quali la cartografia numerica e ogni altro tipo di informazione geografica sono è stati ottimizzati dal punto di vista degli standard di qualità. In tali Map Server, impostati sulla tecnica client-server, dovranno essere implementate funzionalità avanzate per quanto riguarda la possibilità da parte del client di attuare da stazione remota l'interrogazione dei database del GIS, di utilizzare le funzionalità del GIS, di effettuare il download dei dati.

Dal punto di vista della architettura software i Map Server che verranno realizzati dovranno rappresentare una evoluzione rispetto ai Map Server le cui finalità sono essenzialmente quelle di consentire una visualizzazione dei supporti cartografici insiti in un GIS, e dovranno invece essere orientati al concetto di "GIS in linea", nei quali il client ha la possibilità di utilizzare sia le funzioni di visualizzazione che quelle delle analisi geo-spaziali e, in generale, di interrogazioni più o meno complesse sui vari database compresi nel GIS.

Questo risultato, che rappresenta il punto finale di arrivo di tutto il programma di ricerca, verrà conseguito in funzione di altri risultati parziali che sono i seguenti.

1. Definizione di standard di qualità per la cartografia numerica al riguardo di questi aspetti:
• il sistema di codifica modulare in funzione della scala di rappresentazione
• il contenuto 3D
• i processi di generalizzazione per la coesistenza congruente di cartografie a varia scala nell'ambito del GIS
• l'uso del linguaggio GML3.

2. Definizione di un quadro generale al riguardo dell'utilizzo di immagini nell'ambito dei GIS.
Questo quadro generale dovrà prendere in considerazione i vari tipi di immagini raster che possono essere di interesse nell'ambito dei GIS e definire:
• i vari tipi di formato dei dati che sono compatibili con la maggior parte dei software commerciali e open-source
• le modalità di conversione dei formati non compatibili in formati compatibili
• le soluzione più convenienti per i problemi di georeferenziazione
• le soluzioni più convenienti per la trasmissione delle immagini in via rete (algoritmi e software per la compressione e decompressione dei dati)
• gli algoritmi e le procedure software per variare in modo automatico il grado di risoluzione delle immagini in modo da ottimizzarne la visualizzazione in tempo reale.


3. Produrre un documento che illustri in modo comparativo i software commerciali e open-source per la realizzazione dei GIS.

4. Produrre un documento che illustri in modo comparativo alcuni dei software commerciali e open-source per la realizzazione dei Map Server.
Questo documento, essenziale per lo svolgimento del progetto, potrà costituire anche un valido riferimento per un'utenza generalizzata, poiché vi è una notevole consequenzialità tra la tipologia di un GISe il tipo di Map server da adottare per gestirlo in maniera ottimizzata.

5. Realizzare un GIS prototipale basato su un'area test reale nel quale vengano presi in considerazione tutti i possibili di dati di conoscenza del territorio attualmente disponibili.
Questo GIS servirà per testare le funzionalità dei vari Map Server cartografici che verranno realizzati dalle unità di ricerca del progetto, ma potrà anche essere adottato a livello nazionale come area test di riferimento per la valutazione di standard di qualità dei vari software commerciali

Oltre a questi risultati ci si attende che i modelli di GIS e di Map Server che verranno realizzati nel corso del progetto possano essere presi a modello per delle realizzazioni da parte della Pubblica Amministrazione (Comuni, Province, ecc.). Per questa finalità è stato previsto lo svolgimento del seminario nell'ultimo trimestre del secondo anno, durante il quale avverrà la presentazioni dei risultati del progetto alla comunità scientifica nazionale e internazionale e ai rappresentanti delle Pubbliche Amministrazioni. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Base di partenza scientifica nazionale.

Il rilevante sviluppo della produzione di cartografia numerica vettoriale a grande scala in Italia negli ultimi venti anni ha richiesto che venissero prodotti molti capitolati per regolarne l'esecuzione. La redazione di queste linee guida è stato in genere affidato a Istituti universitari, i quali, in molti casi, hanno dovuto svolgere anche il ruolo di progettisti della cartografia numerica.
Il risultato di questo lavoro di progettazione e di redazione di norme è stato quindi svolto con rigore scientifico e ha trovato momenti di verifica a livello nazionale in occasione dei congressi della Società Italiana di Fotogrammetria.
Le relazioni scientifiche presentate a questi Congressi hanno messo in evidenza la grande differenziazione dei prodotti cartografici, i quali, anche a parità di rapporto di scala, presentavano caratteristiche strutturali e di contenuto che erano fortemente condizionate dalle esigenze specifiche della committenza. Inoltre in molti casi la committenza della cartografia era composta da più Enti, ad esempio Comune, Agenzia Municipalizzata e Amministrazione Catastale; per soddisfare le esigenze di precisione e di contenuto dei vari Enti la cartografia risultava fortemente caratterizzata.
Anche lo sviluppo della telefonia mobile ha contributo ad aumentare la richiesta di cartografia numerica a grande scala, in questo caso caratterizzata da nuovi contenuti 3D precedentemente non richiesti.
Questa rilevante produzione di cartografia numerica vettoriale a grande scala di elevata qualità, anche se fortemente differenziata, ha spinto gli Enti cartografici di Stato (IGMI, Catasto) e le Amministrazioni regionali che a loro volta gestiscono le cartografie regionali a media scala, a orientarsi al suo recupero con lo scopo di derivarne cartografie a scala minore con processi di generalizzazione.
Proprio in questi progetti è emersa la necessità di redigere delle norme nazionali per la realizzazione della cartografia numerica vettoriale a grande scala, in modo che la uniformità di contenuti, di precisione e di struttura consentisse il suo recupero per i fini che si è detto.
Un punto di riferimento privilegiato sarà costituito dal lavoro svolto nell'ambito delle Commissioni dell'Intesa Stato-Regione, che ha già svolto passi significativi nella direzione di creare uno standard di riferimento per i database topografici, inclusi quelli che si basano sulla cartografia numerica vettoriale a grande scala.
Esistono quindi, a livello nazionale, molti ambiti nei quali i problemi che devono essere risolti per realizzare lo scopo di questo progetto di ricerca sono già stati affrontati e possono fornire validi punti di partenza per un ulteriore approfondimento, che porti a delineare un quadro normativo che omogeneizzi il prodotto cartografico a grande scala, in modo che sia possibile derivarne da esso cartografie a scala minore mediante processi di generalizzazione, e utilizzarlo al meglio nell'ambito dei GIS, in particolare in quelli che vengono resi disponibili in rete secondo lo schema client-server.
Per quanto attiene l'aspetto dell'utilizzo della cartografia nei GIS e della realizzazione di Map Server, vi sono valide realizzazioni italiane a cui fare riferimento, alcune delle quali sono state sviluppate nel Dipartimento di appartenenza del coordinatore nazionale del progetto.

Base di partenza scientifica internazionale.

A differenza della realtà italiana, nella quale la cartografia numerica vettoriale a grande scala viene prodotta dall'industria privata composta da circa duecento piccole Ditte private, a livello internazionale, e in particolare in molte nazioni europee, questo compito è svolto dagli Enti cartografici dello Stato (National Mapping Agencies).
Questa situazione ha consentito di affrontare fin dall'inizio la produzione con criteri di omogeneità, con procedure di controllo di qualità, e tenendo in considerazione le interazioni con le altre realtà cartografiche nazionali.
L'omogeneità nella tecnica di produzione non significa però che non si producano carte specialistiche o prodotti differenziati. La differenza con la realtà italiana è che la diversificazione dei prodotti viene realizzata, a richiesta dell'utente, a partire da un prodotto standard.
Questa gestione centralizzata della produzione cartografia ha favorito anche lo sviluppo di tecniche di controllo di qualità del prodotto, di proporre la cartografia come struttura portante dei database topografici nazionali, di realizzare metodi di distribuzione della cartografia via Internet, di affrontare problemi di aggiornamento in maniera unitaria.
Il punto di riferimento internazionale per i ricercatori che afferiscono al progetto sono senz'altro le ricerche effettuate nell'ambito dell'organizzazione europea EuroSDR (già OEEPE), alle quali molti di loro hanno partecipato.
A titolo d'esempio citiamo le seguenti ricerche che hanno coinvolto i ricercatori e gli Enti cartografici nazionali di diverse nazioni europee:
- il passaggio della cartografia dal 2D al 3D (Heipke, 2002)
- gli studi per la gestione e l'ottimizzazione della produzione e distribuzione della cartografia (Radwan, al. 2001)
- gli studi sui processi di generalizzazione (Ruas, 2001.)
- gli studi sulla diffusione della cartografia via Internet (Flotron, A.; Koelbl, O. 2000)
- definizione di standard di qualità per la cartografia numerica (Koen, L. A.; Kölbl, O..1992).

Per quanto attiene gli aspetti della standardizzazione si terranno in considerazione i documenti prodotti nell'ambito Comitato Tecnico ISO/TC 211 Informazioni geografiche / Geomatica (Geographic Information / Geomatics)

Per quanto attiene lo sviluppo delle tecniche di pubblicazione dei GIS in ambiente Web si terranno in considerazione le ricerche e le realizzazioni in ambito internazionale.
Costituiranno punti di riferimento alcune ricerche condotte nell'ambito della Commissione IV dell'ISPRS Spatial Information Systems and Digital Mapping e in particolare i risultati dei gruppi di lavoro
WG IV/1 - Spatial and temporal data modelling and analysis
WG IV/2 - Federated databases and interoperability
WG IV/7 - Data Integration and Digital Mapping

Un altro punto di riferimento saranno i lavori e le pubblicazioni relative all'attività dell'OpenGis Consortium che vengono costantemente seguite da alcuni ricercatori del Gruppo. <<<