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Master in ingegneria dell’Emergenza
GIS e cartografia numericaMattia Giovanni Crespi-
Valerio Baiocchi
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GIS e cartografia numerica - M.Crespi, V. Baiocchi -Area Topografia DITS
Superficie fisica e superficie di riferimento
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Definizione geoide
• Il geoide “coinciderebbe con la superficie dei mari opportunamente prolungata sotto le terre emerse, qualora l’acqua dei mari avesse la stessa temperatura, la stessa densità e non esistessero le perturbazioni dovute alle correnti, ai venti ed alle maree. (G. Inghilleri)
• Si può anche pensare come la superficie equipotenziale del campo gravitazionale passante per il livello medio dei mari.
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Orientamento degli ellissoidi
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Quota ortometrica e quota ellissoidica
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Ondulazione del Geoide (N)
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Coordinate geodetiche e coordinate cartografiche
• Una volta stabilito il Datum si può istituire un sistema di coordinate geodetiche (latitudine e longitudine)
• Successivamente si può decidere di utilizzare una determinata equazione di rappresentazione cartografica sia per rappresentare sul piano gli oggetti da rappresentare sia per ottenere un nuovo sistema di coordinate piane (solitamente nord ed est)
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Schemi di proiezione
Ortografica Scenografica
Stereografica Gnomonica
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Proiezioni su cilindro (UTM) e su cono (Lambert)
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Schemi di proiezione con superfici secanti
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Trasformate piane di meridiani e paralleli per la proiezione di Gauss
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Sistema UTM in Italia
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Sistema Gauss-Boaga
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Sistemi di coordinate utilizzati in Italia
EquatoreEquatoreEquatoreRiferimento latitudine
GreenwichGreenwichMonte MarioMeridiano di riferimento longitudine
Coordinate cartografiche
WGS84HayfordHayfordEllissoide
WGS84ED50Roma40Datum
32, 33 e parte nel 349°, 15° e 21° E GreenwichSempre 500 Km.K=0.9996
32, 33 e parte nel 349°, 15° e 21° E GreenwichSempre 500 Km.K=0.9996
Ovest ed Est9° e 15° E Greenwich1500 e 2520 Km.K=0.9996
Fusi, meridiani centrali, false origini, fattore di contrazione
Coordinate geografiche
GeocentricoMedio EuropeoMonte MarioOrientamento
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Cartografia IGM serie “vecchia”
5’ x 7.5’1:25000Tavolette
10’ x 15’1:50000Quadranti
20’ x 30’1:100000Fogli
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Cartografia IGM serie “nuova”
6’ x 12’1:25.000Sezioni
12’ x 20’1:50.000Fogli
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Stato della produzione nuova cartografia
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Cartografia numerica
• Nasce dalla trasposizione delle cartografie tradizionale su supporto digitale presentando alcuni aspetti nuovi tra i quali:– Scala nominale– Georeferenziazione
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Scala nominale
• Agli oggetti rappresentati vengono associate le loro coordinate reali quindi il concetto di scala delle cartografie tradizionali viene sostituito dalla scala nominale che è la scala di una cartografia tradizionale avente il medesimo contenuto di precisione.
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Georeferenziazione
-Riferire ciò che è rappresentato sulla cartografia numerica alla sua posizione nello spazio fisico. Il procedimento presentaaspetti diversi a seconda del formato di rappresentazione della cartografia: raster o vettoriale.
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Formati raster o vettoriali
• Le cartografie possono essere rappresentate in formato raster o vettoriale
• Il raster è il tipo di file che si ottiene acquisendo la cartografia mediante scanner
• Il vettoriale è il formato di disegno che gestiscono i programmi di cad o che si ottiene acquisendo una carta mediante “digitizer”
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Elementi fondamentali dei file raster e vettoriali
• I raster sono composti di celle generalmente quadrate che sono detti pixel (da picture element)
• I vettoriali sono composti di primitive vettoriali quali punti, linee, polilinee etc.
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Files raster• Il raster è una sorta di fotocopia digitale:
riproduce tutto ma non ha cognizione di cosa riproduce
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Raster 2
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Raster 3
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Vettoriale
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Vettoriale 2
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“Entities” and “fields”- Secondo Burroughs (1999), ciò che può essere rappresentato su una cartografia digitale può essere suddiviso in due grandi categorie: “entities” (entità) e “fields” (campi)
- Le “entities” sono oggetti che hanno una precisa collocazione ed estensione e possono essere rappresentati in forma vettoriale (es. fabbricati o vie di comunicazione)
- I “fields” sono grandezze che variano il loro valore a seconda della posizione che andiamo ad investigare all’interno dell’area in studio e possono essere rappresentati in formato raster (permeabilità del terreno, densità di popolazione)
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Vantaggi e svantaggi dei due formatiRaster
• Vantaggi:– Rapidità d’acquisizione– Viene acquisito tutto
indipendentemente dall’interpretazione
• Svantaggi:– Il software non
“capisce” la differenza tra i vari oggetti rappresentati
– File “pesanti”
Vettoriale• Vantaggi:
– Acquisendo per oggetti il software può distinguerli ed associare informazioni
– File leggeri (rispetto ai raster)
• Svantaggi:– Acquisizione onerosa – Interpretazione
dell’operatore
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Trasformazioni raster vettoriali
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Georeferenziazione di raster• Questa operazione si compone di due fasi:
1)Georeferenziazione propriamente detta ovvero assegnazione al singolo pixel delle coordinate nel sistema di riferimento utilizzato.
2)Operazione di “rectify” si tratta di un ricampionamento dell’immagine per modificarne la geometria in modo che abbia la stessa forma di quella del sistema di riferimento.
• Alcuni software (Mapinfo 5.0) eseguono solo la 1 non cambiano la geometria dell’immagine anche se è deformata, altri le eseguono entrambe contestualmente (Geomedia, MGE), altri le eseguono in due fasi (“register” e “rectify”) di Arcinfo e Arcgis
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Algoritmi di georeferenziazione
• Helmert: semplice rototraslazione con una variazione di scala
• Proiettiva: utilizzata per correggere le immagini da aereo e da satellite.
• Polinomiale o Affine di n° grado: famiglia di trasformazione di complessità crescente (la più semplice (primo grado) opera una rototraslazione con due variazioni di scala sui due assi ed eventuale rotazione di un asse rispetto all’altro
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Sperimentazione sulla calibrazione dei raster
Avendo queste possibilità si è avviata una sperimentazione per cercare di rispondere principalmente a due domande:
- E’ sempre meglio utilizzare le trasformazioni più complesse, o il maggior tempo necessario per elaborare la trasformazione non viene ripagato da un sensibile miglioramento dell’affidabilità metrica?
- E’ possibile stimare, anche grossolanamente, un numero minimo di punti di controllo che ci possa garantire un risultato soddisfacente? In altre parole esiste un numero limite di punti di controllo, superato il quale non si ha un miglioramento significativo del risultato?
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Helmert
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Polinomiale di 5° ordine
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Quale algoritmo scegliere?
Affin
e5°
Affin
e4°
Affin
e3°
Affin
e2°
Proi
ettiv
a
Affin
e1°
Hel
mer
t
4 vertici4 incroci UTM
8 incroci UTM14 incroci UTM
47 incroci UTM93 incroci UTM
0
2
4
6
8
10
12
14
4 vertici4 incroci UTM8 incroci UTM14 incroci UTM47 incroci UTM93 incroci UTM
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Effetti delle polinomiali di grado elevato
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Georeferenziazione dei vettoriali
• I file vettoriali sono generalmente già georiferiti ma può essere necessario georiferirli se sono stati riferiti in un sistema locale o se si deve cambiare sistema di riferimento.
• Alcuni software permettono di georiferire i vettoriali con le stesse modalità dei raster, alcuni software permettono la georeferenziazione vettoriale tridimensionale (generalmente una Bursa-Wolf equivalente ad una Helmertin 3d), utile ad esempio quando si debba inquadrare in un sistema di riferimento globale un rilievo topografico locale.
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Definizioni di GIS
• Le definizioni di Sistema informativo geografico proposte dai vari autori sono innumerevoli, tanto che uno dei maggiori autori in materia (Burrough) le classifica in tre generi: le definizioni di GIS come set di strumenti, come database o come organizzazione di dati.
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Burrough
• ”Un potente insieme di strumenti per raccogliere, archiviare, richiamare a richiesta, trasformare e mostrare dati spaziali (rilevati) dal mondo reale”
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Aronoff
• “Ogni insieme di procedure manuali o assistite dal computer usate per archiviare e manipolare dati geograficamente riferiti”
• In questo senso un GIS è una qualunque banca dati (anche su supporto cartaceo) i cui dati sono riferiti alla loro posizione nello spazio.
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Struttura schematica di un GIS
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Features ed attributi
• Features: sono le caratteristiche con cui viene visualizzata (colore, spessore, etc.) un determinato tipo di oggetto (come una strada, una ferrovia, un’asta fluviale etc.) equivale alla simbologia della cartografia tradizionale.
• Attributi:Iidati alfanumerici collegati ad una determinata entità sulla cartografia e che quindi sono relativi all’oggetto reale che l’entitàcartografica rappresenta, (es. per una particella catastale il nome del proprietario, l’estensione, l’uso).
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Acquisizione di dati per un GIS
• Le acquisizioni di dati per un GIS possono essere:– Primaria: i dati vengono rilevati appositamente
per la costruzione del database, il database puòessere costruito direttamente in campagna (GPS dedicati)
– Secondaria: i dati vengono estratti da cartografie e database già esistenti in forma cartacea o alfanumerica
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Acquisizione secondaria
• L’acquisizione di dati da cartografie esistenti si articola nei seguenti passi:– calibrazione e la georeferenziazione della cartografia
esistente secondo le metodologiè già accennate.– Acquisizione in formato vettoriale dei tematismi di
interesse secondo varie modalità come la vettorializzazione semiautomatica già esposta
– Successivamente o contemporaneamente alle singole primitive vengono associati i rispettivi attributi.
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Esempio di acquisizione secondaria
• Un classico esempio di acquisizione secondaria è l’estrazione di un modello digitale del terreno (DTM) da cartografie esistenti; infatti le cartografie classiche contengono tutte le informazioni sull’altimetria sotto forma di curve di livello, punti quotati, linee di drenaggio e scarpate.
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Definizione di DTM
• Un DTM è un modello digitale del terreno (digitalterrain model), spesso viene utilizzato il termine DEM (digital elevation model) come sinonimo, ma secondo alcuni autori DEM è solo un modello digitale delle elevazioni (quindi delle quote) mentre DTM è più genericamente un modello digitale di una caratteristica del terreno che generalmente è la quota, ma può anche essere la pendenza, l’esposizione o ad esempio la densità di popolazione.
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Grid e TIN
• I DTM sono principalmente di due tipi:– Grid model: sono modelli che rappresentano le quote di
punti distribuiti lungo una maglia regolare generalmente quadrata (ma può anche essere rettangolare o, nel caso di coordinate geodetiche, trapezoidale); concettualmente molto simile al file raster, per questo alcuni autori si riferiscono ad entrambi questi tipi di file come “grid file”
– TIN model: (triangular irregular network) modello a maglia triangolare irregolare tutti i punti a quota nota vengono uniti mediante triangoli di forma irregolare.
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Esempio di grid
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Esempio di TIN
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Esempio di rappresentazione Voxel
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Caratteristiche di grid e TINGrid
• Vantaggi:– Maglia regolare permette
facile elaborazione per derivare altre informazioni
• Svantaggi:– La maglia ha una
dimensione costante qualunque sia la morfologia e può essere inadeguata
– File molto “pesanti” – Le quote dei nodi sono tutte
interpolate
TIN• Vantaggi:
– Le dimensioni e la forma della maglia possono variare in funzione della densità dei punti e della morfologia del terreno
– Le quote dei nodi non sono interpolate ma il dato originale
• Svantaggi:– Maggiore complessità per la
realizzazione di software che derivi informazioni dal modello
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Realizzazione di DEM da cartografia tradizionale
-Calibrazione e georeferenziazione della cartografia originale acquisita mediante scanner
-Vettorializzazione in modalità manuale automatica o semiautomatica.
-Tridimensionalizzazione delle polilinee vettoriali che rappresentano le curve di livello è, in pratica, un associazione di informazioni alfanumeriche alla primitiva vettoriale corrispondente
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Tridimensionalizzazione
• Può avvenire:– Contestualmente alla
vettorializzazione (man mano che si vettorializza una curva di livello le si associa la quota corrispondente)
• Tutte le curve insieme in un secondo momento (vedi figura)
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Esempio impiego GIS per gestione
emergenza (Campania
1998)
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Modello previsione pericolosità solo morfologia
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Modello previsione pericolosità con DEM a minore risoluzione
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Carta geologica SGN
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Carta pericolosità con geolitologia da SGN
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Carta rischio
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Acquisizione primaria
-Rilievi appositamente progettati e realizzati per l’inserimento in un GIS
- Mediante i moderni metodi GPS/GIS integrati è possibile costruire il database direttamente in campagna
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Rilievo mediante strumenti terrestri
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Teodolite
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Livello
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Sistema Gps
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Differenze di fase
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Convegno ASITA 2001GIS e cartografia numerica - M.Crespi, V. Baiocchi -Area Topografia DITS 68
Fasi di costruzione di una ortofotocarta da satellite per paesi in
via di sviluppo (Tangeri)
• La realizzazione si articola generalmente nei seguenti passi:1. Ricerca bibliografica cartografie esistenti2. Studio delle trasformazioni tra i differenti sistemi di riferimento3. Trattamento dei file raster delle carte per estrazione DEM4. Campagna di rilievo GPS dei punti controllo a terra5. Georeferenziazione ed ortorettificazione dell’immagine Ikonos6. Sovrapposizione della cartografia esistente alla ortorettificazione e loro
validazione7. Redazione della carta nella versione definitiva
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ORTOFOTOCARTA
È una fotografia corretta geometricamente affinché sia sovrapponibile ad una cartografia.
Viene realizzata quando è disponibile una sola immagine e non sono disponibili stereocoppie (coppie di foto), che
permettono la tecnica della stereorestituzione.
Interpretazione da parte dell’utente.
Informazioni immesse in fase di restituzione.
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IL SATELLITE “IKONOS 2”ALTITUDINE: 681 Km
VELOCITÀ DEL SATELLITE: 7 Km/sec.
RISOLUZIONE GEOMETRICA: 1 metro (2100 dpi)
RISOLUZIONE RADIOMETRICA: 11 bit
AREA MAX: 13,5 × 13,5 Km2
PREZZO IMMAGINE ACQ. ($/Km2): 29
La “Spaceimaging” fornisce stereocoppie solo ad enti governativi e militari, quindi, è stato possibile acquistare solo un immagine della zona di Tàngeri.
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IMMAGINI SATELLITARI FINO AD OGGI DISPONIBILI
Risoluzione dell’ordine della decina di metri.
Immagini utili per realizzare ortofoto a
piccola scala (1:50000 o meno).
STRETTO DI GIBILTERRA, IMMAGINE LANDSAT
Tàngeri
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DEM ricavato da cartografia
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Implementazione di una trasformazione di Datum in ambiente GIS
• Per utilizzare le informazioni altimetriche contenute nella carta si è reso necessario trasformare le coordinate cartografiche nazionali del Marocco in UTM WGS84; sono stati testati 3 differenti metodi:
1. Modalità preimpostata in MGE (regressione multipla) 2. Molodensky in MGE (parametri sito web NIMA) 3. Molodensky “fuori linea” (parametri sito web NIMA)
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Risultati confronto
Regressione MultiplaMGE – Molodensky MGE
Molodensky fuori linea–Molodensky MGE
Molodensky fuori linea–Regressione Multipla MGE
∆ϕ=0.1192”∆λ=0.0702”
∆ϕ= -0.0126”∆λ=0”
∆ϕ= -0.1318”∆λ= -0.0702”
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Stesse metodologie ED50 -> WGS84
Regressione Multipla MGE – Molodensky MGE
Molodensky fuori linea– Molodensky MGE
Molodensky fuori linea– Regressione Multipla MGE
∆ϕ=0.1192”∆λ=0.0702”
∆ϕ= -0.0126”∆λ=0”
∆ϕ= -0.1318”∆λ= -0.0702”
Non disponendo di punti a coordinate note non era possibile capire quale metodologia fosse più attendibile quindi sono state testate le stesse procedure su punti della rete IGM95 trasformando coordinate UTM ED50 in UTM WGS84
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Metodologia adottata
• La procedura più affidabile sembra Molodensky “fuori linea”; dato che Le differenze tra questa e la Molodensky in MGE sono minime, in considerazione delle notevoli facilitazioni operative che quest’ultima procedura offre (quali trasformazione automatica di file vettoriali), si è deciso di adottare quest’ultima.
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Il rilievo GPS dei punti di controllo
• Il rilievo è durato due settimane ed è stato eseguito mediante due ricevitori monofrequenza modello “March II” della “Corvallis” che si sono rivelati abbastanza funzionali ed economici ma non esportano in RINEX
• 39 punti per circa 60 kmq di cui 21 rimisurati dopo alcuni giorni per valutarne la ripetibilità (la media quadratica degli scarti dei 21 punti rilevati due volte è pari a 0.33 m)
• sessioni di 45 minuti
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Differenziazione dei dati
• Differenziazione rispetto alla stazione permanente di S. Fernando in Spagna (distante 80 km) ed alla stazione permanente di Rabat (350 km)
• Differenziazione rispetto ad una stazione montata sul tetto dell’Istituto Pasteur di Tangeri
• Differenziando rispetto alla stazione di Tangeri si ha un maggior numero di soluzioni “fixed” quindi è stata utilizzata quest’ultima
• La posizione della stazione di Tangeri è stata determinata mediando sei sessioni di circa 2h 40’
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Primo confronto punti GPS georeferenziazione
ID Punto Scost_X (m) Scost_Y (m) Scostamento totale Soluzione
Ist. Pasteur -1.77 2.39 2.97 fixed
4 4.79 -2.58 5.44 fixed
7 -4.79 4.06 6.28 floating
20 4.67 2.64 5.36 floating
11 -4.35 10.56 11.42 floating
87 0 0 0 fixed
Media 5.25
Eqm 2.57
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Caratteristiche delle immagini Ikonos“Carterra Geo”
Caratteristiche dichiarate:
- risoluzione nominale pari ad un metro per angoli di “off-nadir” inferiori a 26°
-una risoluzione radiometrica di 11 bit equivalente a 2048 toni di grigio.
-Prezzo circa 29 USD per kmq
Caratteristiche dell’immagine consegnata:
-off- nadir 34.88°
-risoluzione effettiva 1.15 * 1.02 m,risoluzione nominale 1m * 1m ottenuta perinterpolazione
-toni di grigio equalizzati (DRA)
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Seconda immagine fornita• Caratteristiche
seconda immagine:1. Angolo off-nadir:
29.12°2. Risoluzione
effettiva: 0.93 X 1.06 m.
3. Toni di grigio equalizzati (DRA)
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Problematiche riscontrate
• Inconvenienti dell’elevata inclinazione di alcune immagini:
1. Riduce l’effettiva risoluzione2. Richiede una maggior precisione del DEM3. In aree urbane gli edifici possono mascherare
particolari di interesse• Inconvenienti del DRA (opzionale)
1. Varia la tonalità di grigio rispetto all’originale
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Confronto cartografia esistente-ortofotocarta - 1
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Confronto cartografia esistente-ortofotocarta - 2
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Conclusioni
• Le immagini ad alta risoluzione hanno dimostrato interessanti potenzialità particolarmente per le applicazioni nei paesi in via di sviluppo
• Alcune caratteristiche delle immagini vanno ulteriormente indagate perché potrebbero limitarne le possibilità di applicazione