Evidenza

Questo post è il terzo tutorial QGIS della serie.

Prima di iniziare a lavorare con QGIS c’è una questione fondamentale e di una certa complessità che riguarda il GIS in generale ed ancora prima la cartografia: la corretta rappresentazione della Terra, o meglio della sua superficie su un piano.
La carta è sempre una rappresentazione imperfetta della superficie terrestre perché i due piani non coincidono.

La Terra ha una forma approssimativamente sferica con una superficie curva in tutte le direzioni.
Riportare una tale superficie su un piano non è possibile senza deformarla e ciò vale sia che lo si faccia in forma analogica su carta, sia che si faccia in forma digitale sullo schermo di un computer.

Il nostro pianeta poi ha una forma irregolare, non è una sfera ma neanche uno sferoide perfetto perché ha una superficie con rilievi e avvallamenti.
La sua forma reale perciò non è rappresentabile matematicamente come avviene per le figure geometriche.
Per questo motivo si sono definite delle superfici teoriche di riferimento che meglio approssimano la sua forma.

La prima di queste è il geoide che semplificando può essere definita la superficie che coincide con il livello del mare riportata anche nella parte delle terre emerse.
E’ la superficie di riferimento attraverso cui si definisce l’altitudine.
Tuttavia anche il geoide non è una forma matematicamente definita perché le variazioni di gravità e di densità delle varie zone della terra determinano uno sferoide non regolare.

Per supplire a questo difetto è necessario introdurre una seconda superficie di riferimento che corrisponda a un solido geometricamente ben definito: un ellissoide di rotazione, cioè uno sferoide schiacciato ai poli, con una superficie approssimata al geoide con uno scostamento massimo di circa 100 metri e che finalmente permette una formulazione e la proiezione matematica su un piano.

Nella fig. 1 e 2 amplificando le differenze vengono rappresentate le tre superfici.

Nel corso del tempo sono stati definiti più ellissoidi e la loro scelta dipende dal miglior grado di approssimazione rispetto alla superficie che si vuole rappresentare.
Per fare questo spesso si sposta l’ellissoide in modo tale da minimizzare le differenze con il geoide in una determinata zona geografica.
La scelta dell’ellissoide di riferimento e il suo orientamento preferenziale rispetto al geoide costituisce quello che viene definito il datum. 

Nel caso in cui l’ellissoide sia stato translato rispetto al centro di massa della Terra ed orientato a favore di una determinata regione si parla di datum locali (ad esempio i datum ED 1950 o Roma 1940); se il suo centro invece corrisponde a quello della Terra è denominato datum geocentrico o globale (ad esempio WGS 84, che è il datum su cui poggia il rilevamento GPS).

Nella fig. 3, sempre amplificando le differenze vengono rappresentati i due tipi di datum.

Una volta definita la superficie del solido di riferimento e la sua posizione rispetto alla Terra la rappresentazione cartografica su un piano si ottiene per proiezione.
Si tratta di un procedimento che ha una formulazione matematica attraverso algoritmi  ma che può essere anche “visto” geometricamente.

Si tratta di proiettare l’ellissoide su un piano tangente alla zona che si vuole meglio rappresentare, o ancora meglio, al fine di ridurre le deformazioni, proiettarlo su superfici curve srotolabili come quelle di un cilindro o di un cono.

Nella fig.4 vengono riportate tre diverse tipologie di proiezione. 

In ogni caso la distorsione del risultato cartografico è inevitabile perché trasferire su un piano una superficie sferoidale porta sempre a deformazioni che sono maggiori quanto più grande è l’area da rappresentare.
Per limitare il fenomeno spesso si introducono delle convenzioni come quella più adottata di proiettare l’ellissoide facendolo a spicchi, ottenendo in proiezione dei fusi. 

La proiezione convenzionale più diffusa è la conforme di Gauss (o cilindrica trasversa di Mercatore) ed è quella su cui si basa molta cartografia prodotta in Italia nei sistemi UTM o Gauss Boaga.

Nella fig. 5 si può vedere la proiezione conforme di Gauss e nella fig. 6 e 7 la sua suddivisione in fusi secondo il sistema UTM.

Proiettando per fusi (nel sistema UTM ognuno di questi rappresenta 6° di longitudine) si può notare che la deformazione aumenta allontanandosi dal meridiano centrale.
Per questo il cilindro viene ruotato in modo da riproiettare l’ellissoide a partire dal meridiano centrale della zona che si vuole cartografare. 

Una volta rappresentata la carta si tratta poi di assegnare un sistema di coordinate che definisca il posizionamento geografico degli oggetti.
In ambito GIS questi sistemi di riferimento vengono denominati CRS (Coordinate Reference System) oppure SRS (Spatial Reference System) o più semplicemente SR, che sono classificabili in due categorie fondamentali:

1. SR geografici (o non proiettati), nei quali ogni punto della superficie terrestre viene localizzato sulla base dei valori angolari di latitudine e di longitudine;
2. SR proiettati, nei quali la posizione di ogni punto della superficie terrestre è il risultato di una proiezione che ha per risultato un sistema cartesiano bidimensionale in cui ogni punto ha una coppia di coordinate X,Y 

Un Sistema di Riferimento è comunque il risultato di tutti i fattori che sono stati descritti ed è per questo motivo che ne esistono moltissimi, soprattutto in funzione delle esigenze locali ma anche della diversità di datum, proiezioni, convenzioni, sistemi di coordinate, evoluzioni temporali, ecc. 

Un utente GIS alle prime armi rimane disorientato ed ha difficolltà anche a distinguere l’uno dall’altro sulla base dei nomi.
Per fortuna ci viene in soccorso il registro EPSG (European Petroleum Survey Group), gestito da un’organizzazione internazionale, che assegna ad ogni sistema archiviato un codice numerico univoco.
Nel database dei Sistemi di Riferimento di QGIS è consigliabile fare riferimento a tale registro per non fare confusione. 

C’è poi da considerare che operando nel nostro contesto geografico ci sono solo alcuni Sistemi di Riferimento che in qualche modo, sulla base della cartografia analogica e digitale finora prodotta, costituiscono uno standard.

Dei sistemi cartografici (e dei relativi codici EPSG) adottati in Italia parleremo nel prossimo tutorial QGIS, scendendo più nello specifico ed affrontando anche il problema della loro conversione e trasformazione.

Altre letture consigliate:

AA.VV., GIS Open Source, Grass Gis, Quantum Gis e SpatiaLite. Elementi di software libero applicato al territorio

V. Noti, GIS open source per geologia e ambiente. Analisi e gestione dei dati territoriali e ambientali con QGIS

Con questo primo tutorial si avvia un percorso formativo su QGIS e il GIS open source rivolto ai principianti assoluti. Non ci sarà una frequenza prestabilita e non so ancora dove si arriverà. L’importante è cominciare perché chi inizia è a metà dell’opera.

La Geografia è antica quanto l’uomo e secondo la sua etimologia si occupa di descrivere la Terra e lo fa attraverso vari linguaggi.

Fin dalle epoche più remote l’uomo ha cercato di rappresentare visivamente il territorio creando le prime mappe in rapporto alle sue necessità di cacciatore, agricoltore, costruttore, guerriero, viaggiatore ed ancora oggi è qui il senso e l’utilità di una disciplina che fa riferimento a una quantità enorme di informazioni.
La maggior parte dei dati direttamente o indirettamente sono riferibili ad un costesto spaziale, geografico, ad una posizione sulla superficie terrestre.

Per millenni l’uomo ha disegnato carte geografiche, prima in modo approssimativo, poi con il progredire delle conoscenze sulla Geometria (anche qui l’etimologia è significativa) ha rappresentato il suo mondo, mano a mano che lo scopriva, in modo sempre più preciso.

La conoscenza geografica ha sempre avvantaggiato chi la possedeva, per le attività commerciali, militari, amministrative ed è stato uno strumento di potere, a volte anche tenuto segreto.
In Italia l’Istituto Geografico Militare (IGM) è stato a lungo il principale detentore istituzionale dell’informazione geografica nazionale (c’è da riconoscere che l’ha fatto piuttosto bene) e sulle carte in corrispondenza delle basi militari c’erano delle omissioni, dei vuoti di informazione.

Prima dell’impiego delle foto aeree (possibilità relativamente recente) il rilievo geografico è stato eseguito con gli strumenti della geometria e della topografia.

Negli ultimi decenni c’è stata una rivoluzione tecnologica che ha messo in campo nuovi strumenti che cambiano profondamente il lavoro di chi ha a che fare con il territorio, con delle possibilità fino a poco tempo fa impensabili.

Le tecnologie che hanno rivoluzionato l’acquisizione e la gestione delle informazioni geografiche sono sostanzialmente tre:

1. il GPS (Global Positioning Systems): un sistema di comunicazioni tra stazioni a terra e una rete di satelliti che consente la localizzazione di un punto sulla superficie terrestre con un livello di precisione crescente in funzione della strumentazione in uso.
   Le applicazioni sono innumerevoli e la tecnologia ormai è di uso comune. Le stazioni GPS più sofisticate consentono ormai una precisione topografica superiore a quella degli strumenti ottico-elettronici, unita ad una migliore facilità d’uso;
2. il Telerilevamento (o Remote Sensing): un insieme di tecniche per acquisire immagini o altri tipi di dati attraverso rilevazioni fatte a distanza da aerei e satelliti, con lo sviluppo di elaborazione ed analisi dei dati. Chi studia la natura nelle sue varie forme oggi ha una massa di informazioni (in archivio e in tempo reale) ed una quantità di dati interpretabili anche in modo dinamico;
3. il GIS (Geographic Information Systems): una tecnologia informatica che consente di gestire i dati rilevati dalle altre due e molte altre informazioni in modo sistematico, consentendo visualizzazioni, elaborazioni ed analisi che aggiungono ulteriore conoscenza e che facilitano le decisioni in termini progettuali e gestionali.

Da ora in poi parleremo di questa ultima tecnologia di informazione spaziale, il GIS, perché è quella che dà maggiori possibilità in termini applicativi, risultando utilissima, in qualche caso indispensabile, a molte categorie professionali, a tutti coloro cioè che hanno a che fare con il territorio, per conoscerlo, conservarlo, amministrarlo, pianificarlo, gestirlo, progettarlo.

Tra chi legge queste righe sono pochi quelli che possono chiamarsi fuori ed indipendentemente dal lavoro svolto l’argomento è comunque di grande fascino.
Se poi aggiungiamo il fatto che esistono in campo GIS ottimi software liberi, open source e gratuiti, come QGIS e tutto ciò che ci gira intorno, sarebbe sciocco per qualsiasi operatore non cogliere questa opportunità.

Prima di parlare di QGIS però cerchiamo di capire meglio cos’è il GIS e come è nato.

I primi software GIS nascono nella seconda metà degli anni 80 dall’integrazione di altri programmi informatici appartenenti a quattro categorie:

1. Sistemi di gestione di banche dati (DBMS: Database Management Systems). Generalmente un database non contiene informazione spaziale esplicita (in termini di localizzazione con posizionamento e descrizione di caratteristiche geometriche) ma si limita a gestire dati alfanumerici. Esempi: MS Access, Oracle, MySQL, …
2. Sistemi di trattamento di informazioni grafiche vettoriali (CAD: Computer Aided Design). I CAD non usano sistemi di riferimento geografici ma un sistema di riferimento locale e hanno una limitata capacità di gestione di dati non grafici. L’esempio più famoso è AutoCAD.
3. Sistemi di elaborazione di mappe raster (image processing). Possono essere distinti in due gruppi: quelli che sono semplici strumenti di manipolazione di immagini come Photoshop, Gimp, Photopaint, … e quelli che lo fanno assegnando alle immagini un sistema di riferimento geografico, elaborando così delle vere e proprie mappe raster, come Erdas Imagine, Envi, ErMapper, …
4. Sistemi di analisi statistica di dati alfanumerici (statistical software). Contengono la stessa tipologia di dati dei DBMS ma sono più orientati al calcolo e all’analisi previsionale. Esempi: SPSS, StatSoft, MATLAB, …

La potenza del GIS sta proprio nel mettere insieme le caratteristiche di questi programmi e nel gestire in modo sempre più integrato varie tipologie di dati, come nessun altro software riesce a fare.
L’evoluzione di questo tipo di software è avvenuta così per integrazione di moduli successivi e di estensioni.
La piattaforma GIS commerciale più nota è ArcGIS (ex ArcView) della ESRI, ancora software house leader in questo settore, ma è anche molto diffuso AutoCAD Map di Autodesk ed altri che non sto ad elencare.

Il software libero ed open source in ambito GIS negli ultimi anni ha avuto un’evoluzione incredibile e sono cresciuti una serie di programmi specifici e l’interoperabilità tra di loro.
QGIS è un software straordinario perché oltre alle qualità dovute al proprio sviluppo ha saputo mettersi al centro di questo articolato ecosistema, diventandone l’interfaccia naturale.

QGIS è nato nel 2002 come semplice visualizzatore ed in poco più di un decennio è diventato la piattaforma di base del GIS open source, con funzionalità che non hanno più quasi niente da invidiare ad ArcGIS.
Ciò è avvenuto grazie al lavoro di una community internazionale di sviluppatori, sostenitori e utenti in cui la comunità italiana ha avuto un ruolo non marginale.
Con il rilascio di QGIS 2.0 (a cui sono seguiti in breve tempo 2.2, 2.4, 2.6) il progetto ha raggiunto la sua piena maturità. Non rimane che provarlo.

Con la dovuta umiltà il mio scopo sarà quello di facilitare questo percorso. Seguitemi anche nei prossimi tutorial.

Altre letture consigliate:

AA.VV., GIS Open Source, Grass Gis, Quantum Gis e SpatiaLite. Elementi di software libero applicato al territorio

V. Noti, GIS open source per geologia e ambiente. Analisi e gestione dei dati territoriali e ambientali con QGIS