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Analisi e visualizzazione di mappe storiche in ambiente GIS (Sistemi Informativi Geografici)

Marco Minghini, Luana Valentini

Liceo scientifico G. Terragni, 14/03/2012

Politecnico di Milano, DIIAR – Laboratorio di Geomatica del Polo Territoriale di Como

2Analisi e visualizzazione digitale di mappe storiche

✔ Contestualizzazione storico-culturale

✔ Digitalizzazione

✔ Georeferenziazione

✔ Documentazione mediante metadati

✔ Distribuzione sul Web

✔ Analisi spazio-temporali 2D e 3D

4Contestualizzazione storico-culturale

✔ 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

6Digitalizzazione

✔ 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.

7Digitalizzazione - modalità

✔ 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

8Digitalizzazione - modalità

✔ 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

9Digitalizzazione diretta - parametri

✔ 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)

✔ STANDARD DE FACTO: 300 dpi

➔ 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: 8 bit per banda (cioè 28 = 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)

10Web C.A.R.T.E.

✔ 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.

11Web C.A.R.T.E. - digitalizzazione

✔ 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.


✔ 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)


✔ 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)

15Georeferenziazione

✔ 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 cartograficaoccorre un'approssimazione della funzione incognita ψ◦χ-1!

16Georeferenziazione

✔ 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

17Georeferenziazione - modelli

✔ 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


✔ I modelli di georeferenziazione più usati sono:


✔ 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)

20Georeferenziazione - valutazione dei risultati

✔ 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

21Georeferenziazione - valutazione dei risultati

✔ Valutazione qualitativa:

➔ sovrapposizione con la cartografia moderna

➔ griglie di deformazione

➔ vettori di deformazione

22Web C.A.R.T.E. - georeferenziazione

✔ 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:


✔ 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)


✔ 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:

modello polinomiale

thin plate spline


✔ 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


✔ 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.


✔ Integrazione e confronto con la cartografia attuale:


✔ Mappa dei residui per l'analisi del campo di deformazione:

30Documentazione mediante metadati

✔ 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)

31Documentazione mediante metadati

➔ Italiano:

CNIPA (rinominato DigitPA col D.Lgs. 177/2009):

✔ 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):

✔ 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

mappe mosaicate georeferenziate

singoli fogli non georeferenziati

32Web C.A.R.T.E. - documentazione mediante metadati

✔ Gestione online di dati e metadati mediante un geocatalogo web:

34Web mapping: condivisione e diffusione in rete dell’informazione geografica

✔ 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

35Web mapping: condivisione e diffusione in rete dell’informazione geografica

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.

Il web client è la parte dell’applicazione con cui l’utente finale interagisce.

✔ Un WebGIS è composto da due parti:

36Dati - servizi WMS

✔ 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.

37Dati - servizi WMS

http://www.pcn.minambiente.it

✔ Esempio: Geoportale Nazionale - Ortofoto 2006

38Dati - ortofoto e carte storiche

✔ Le mappe georiferite possono essere sovrapposte ai dati attuali:

39Dati - informazioni aggiuntive

✔ 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

➔ ...

40Dati - informazioni aggiuntive

✔ Associazione ai dati delle informazioni aggiuntive:

422D Map Panel

✔ 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

43Internet 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

44Globi virtuali

✔ 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 pseudo-versioni 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.

45Nasa World Wind

✔ Modello 3D degli edifici, creato 'leggendo' gli attributi di altezza media e periodo di costruzione:

http://historicalmaps.como.polimi.it

46Interrogazioni temporali

✔ 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

47Interrogazioni temporali

✔ Oppure, tutti gli edifici presenti in un determinato anno (es. 1872):

video

48Web C.A.R.T.E. - WebGIS

✔ 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)


✔ Street View:

➔ possibilità di attivare la visualizzazione di Google Street View, permettendo di navigare direttamente il panorama attuale degli edifici storici


Video


video

✔ 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


Grazie per l'attenzione!Marco Minghini

[email protected]

http://geomatica.como.polimi.it

Lunedì 16 marzo: aula A 3.7, via Castelnuovo (3° piano)

mailto:[email protected]

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