Le basi di dati geografiche in Spatial Oracle: gestione del dato raster

Introduzione 
 
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Parte del tempo di ricerca è stato impiegato nell’analisi delle tecnologie offerte da 
Oracle per il trattamento di dati spaziali. In particolare, è stato analizzato il 
funzionamento del modulo GeoRaster Spatial Oracle 11g e le metodologie che 
permettono l’estensione del modulo GeoRaster al fine della definizione di funzioni di 
Map Algebra.  
Durante la fase di analisi è stato rilevato che l’estensione GeoRaster Spatial del DBMS 
Oracle consente di gestire dati raster di notevoli dimensioni, offrendo al programmatore 
delle primitive scritte in linguaggio PL/SQL che operano sul dato raster. 
L’utilizzo di queste primitive ha evidenziato proprietà e limiti del modulo GeoRaster. 
Da un lato è stato possibile osservarne i vantaggi: è emerso che le primitive sono scritte 
in linguaggio PL/SQL e, quindi, sono ben integrate con il DBMS Oracle; esse 
consentono, inoltre, di fare tutte le operazioni di base su di un dato raster e sono 
efficienti per piccole operazioni, come ad esempio la restituzione dei valori di piccole 
parti del dato raster. Al tempo stesso, sono stati evidenziati diversi limiti dal momento 
che le primitive presentano un notevole costo in termini di “tempo di esecuzione” al 
crescere della dimensione del dato raster e con le strumentazioni presenti nel laboratorio 
di GIS, con raster molto grandi non riescono mai a giungere ad un risultato, portando la 
workstation in una situazione di stallo. 
Per la realizzazione delle funzioni di Map Algebra è stato, quindi, utilizzato il 
linguaggio Java, integrando le funzioni esistenti, al fine di creare delle procedure che 
fossero più efficienti in termini di tempo di esecuzione e che potessero gestire con 
semplicità dati raster di notevoli dimensioni.  
In questo lavoro di tesi saranno illustrati i temi e gli argomenti alla base dello studio 
condotto. Saranno presentate le tecniche e le metodologie per la creazione e lo studio di 
una base di dati geografica oltre che la gestione del dato raster all’interno del modulo 
GeoRaster. Nello specifico, si analizzeranno tecniche e teorie messe a disposizione dal 
DBMS Oracle nello scenario delle basi di dati geografiche per poter introdurre termini, 
costrutti e rappresentazioni utili alla progettazione.  
Introduzione 
 
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Il tesista Gennaro Russo, con il quale è stata svolta l’attività di tirocinio, si è occupato, 
invece, nel proprio lavoro di tesi, di come sia possibile utilizzare il DBMS Oracle per 
implementare funzioni di Map Algebra utilizzando il linguaggio Java. 
Il lavoro di tesi è strutturato nel seguente modo: 

 nel Capitolo 1 sono definiti alcuni concetti generali della cartografia insieme ad  
una panoramica sui “Sistemi Informativi Geografici”; 
 

 nel Capitolo 2 è presentata una analisi dei dati spaziali e del modo in cui essi 
sono memorizzati dai Sistemi Informativi Geografici. In particolare, sono 
descritti i principali modelli dei dati quali Vettoriale, Tin e Raster, ponendo 
attenzione al modello dei dati raster su cui è basato il lavoro di tesi; 
 

 nel Capitolo 3 sono esaminate le diverse tipologie di immagini da cui è 
possibile ricavare dati raster, le varie sorgenti e le metodologie di acquisizione 
dei dati territoriali, distinguendo tra dati analogici e dati digitali. Inoltre, sono 
illustrate le tecniche che permettono di convertire i dati dal modello Vettoriale 
al modello Raster e viceversa; 
 

 nel Capitolo 4 è presentato il modo in cui i dati cartografici sono trattati 
all'interno di un DBMS relazionale, fornendo informazioni su come il database 
è strutturato, proponendo alcune delle soluzioni esistenti sul mercato,  in fine 
descritta la metodologia per la creazione di una base di dati geografica con il 
modulo GeoRaster Spatial Oracle 11g ponendo attenzione alla gestione del 
dato raster. 
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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Capitolo I 
I Sistemi Informativi Geografici  
 
1.1 - Elementi di cartografia 
Per cartografia si intende il complesso degli studi e delle operazioni scientifiche, 
artistiche e tecniche che si svolgono a partire dai risultati delle osservazioni dirette o 
dalla utilizzazione di una documentazione al fine di elaborare ed allestire carte, piante 
ed altri modi d’espressione atti a risvegliare l’immagine esatta della realtà così come 
definita dall’Associazione Cartografica Internazionale (1966).  
 
Figura 1.1- Mappa fisica del globo terrestre 
Da quella data, tanti sono stati i progressi tecnici sia per l’osservazione della realtà che 
per la sua rappresentazione, nel presente capitolo si introducono aspetti generali e 
culturali riguardanti la cartografia evidenziandone alcuni particolarmente utili 
all’inquadramento dei Sistemi Informativi Geografici sia come strumento di analisi 
ambientale che come strumento per la produzione di cartografia numerica. 
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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La necessità di rappresentare in piano luoghi o elementi topografici della superficie 
terrestre risale a tempi antichissimi infatti, reperti archeologici di rozze rappresentazioni 
cartografiche sono state rinvenute in varie parti del mondo e realizzate con le tecniche 
più disparate, scolpite o incise su legno o su cuoio e pelli o su tavolette di argilla. 
Nel IV secolo a.C., in Grecia, si incomincia a concepire una cartografia scientifica, ne 
sono esempi la rappresentazione di Dicearco da Messina e di Eratostene: il primo 
compone una carta in cui compare un elemento matematico di costruzione, costituito da 
un parallelo passante per luoghi ritenuti alla stessa latitudine. 
 
Figura 1.2 - Rappresentazione di Eratostene 
Un ulteriore modalità di rappresentazione cartografica è rappresentata dai mappamondi 
realizzati sin dagli ultimi secoli dell’impero romano fino al XIV sec., che definiscono in 
modo molto approssimato e schematico le terre conosciute “mappae mundi”. 
Innovazioni vennero apportate a seguito delle informazioni raccolte da viaggiatori che si 
recavano in oriente, un esempio è costituito da “Il Milione” di Marco Polo i cui dati 
sono risultati utili alla compilazione di una carta nota come carta Catalana del 1375.  
Con l’avvento dell’umanesimo e quindi degli studi e delle traduzioni dei classici 
provenienti dalla Grecia, nonché dell’invenzione della stampa, la cultura europea 
conobbe l’opera geografica di Tolomeo (Figura 1.3), noto fino ad allora solo come 
astronomo.  
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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La conoscenza della geografia tolemaica introduce nuovamente il problema della 
necessità di introdurre un sistema di proiezioni basato su di un modello matematico. 
 
Figura 1.3 - Carta di Tolomeo 
Verso la fine del ‘400 con la scoperta del nuovo mondo da parte di Cristoforo Colombo 
(1492) si determina un’accelerazione alla conoscenza del mondo che influenza 
fortemente lo sviluppo della cartografia. Il ‘500 vede un proliferare di cartografia a 
stampa e manoscritta, si cominciano rilievi topografici regolari. Sono di questo secolo le 
carte della galleria del Belvedere in Vaticano. Nei diversi paesi europei ed anche negli 
stati italiani si avvia, sulla spinta di autorità pubbliche, la redazione di una cartografia 
ufficiale, attraverso rilevamenti sistematici anche a mezzo della tavoletta pretoriana che 
ne consentiva il disegno immediato. 
Nel ‘700, in seguito alle maggiori conoscenze sulla forma e dimensione della terra, 
all’invenzione del sestante, all’uso di cronometri molto precisi, ed all’invenzione del 
teodolite applicato alla triangolazione (1787), nasce la geodesia e quindi la cartografia 
geodetica, cioè basata sulla conoscenza esatta della posizione di alcuni punti. In questo 
secolo si proposero nuove proiezioni anche a cura di matematici come Lagrange e 
Lambert. 
Nell’800 si riavviano rilievi sistematici dei territori e si producono carte più aggiornate 
e rispondenti alla realtà in varie scale, si razionalizzano i segni convenzionali e si 
introducono nuove proiezioni, basate generalmente sull’ellissoide di Bessel (1841). 
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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Nel ‘900 la migliore conoscenza del geoide conduce nel 1909 all’adozione 
dell’ellissoide di Hayford, denominato ellissoide internazionale così come indicato 
dell’Unione Geodetica Internazionale.  
Inizia la costruzione di carte topografiche attraverso fotografie (fotogrammetria), fino 
all’adozione della stereofotogrammetria, possibile attraverso lo stereoautografo, di cui 
fu inventore l’austriaco Orel (1909), in grado di effettuare la restituzione cartografica di 
fotografie in coppie stereoscopiche effettuate in quota. 
Negli ultimi decenni si è imposta la proiezione cilindrica isogona, o di “mercatore 
trasversa”, nota con la sigla U.T.M. Nel 1961 nasce l’Associazione Internazionale di 
Cartografia e l’ONU si dota di un proprio Dipartimento Cartografico. Se la fotografia 
aerea ha prodotto una nuova generazione di rilevamento e rappresentazione 
cartografica, lo stesso oggi si può dire della produzione di carte a partire da foto 
satellitari, scattate ad altezze che superano i 900 km, metodo noto come telerilevamento 
o, con il termine inglese, remote sensing. 
Tra i vari satelliti utilizzati a tale scopo ricordiamo quelli della serie Landsat lanciati in 
orbita per lo studio delle forme e delle risorse terrestri in grado di produrre cartografia 
tematica.  
 
 
Figura 1.4 - Immagine LA,DSAT 
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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Una sostanziale innovazione nell’ambito della cartografia è stata introdotta verso la fine 
degli anni ‘70 proprio dall’uso dei Sistemi Informativi Geografici in cui parleremo nel 
seguente lavoro di tesi.  
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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1.2 - Cos'è un Sistema Informativo Geografico 
Il primo Sistema Informativo Geografico nasce nel 1963 in Canada (Canada 
Geographic Information System, diretto da R. Tomlinson) dalla necessità di 
automatizzare la produzione di mappe del territorio a partire da cartografia, 
fotogrammetria e rilevamenti topografici.  
Ci possono essere molte diverse definizioni di Geographic Information System (GIS). 
Spesso è definito come un insieme organizzato di hardware, software, dati geografici e 
persone tecnicamente preparate per acquisire, memorizzare, aggiornare, manipolare, 
analizzare e visualizzare in modo efficiente dell'informazione che sia geograficamente 
referenziata (Figura 1.5).  
 
Figura 1.5 - Struttura organizzativa di un GIS 
Ma il termine GIS è spesso utilizzato per identificare il software che viene utilizzato per 
rappresentare ed analizzare eventi che si verificano sulla terra. Indipendentemente dalla 
definizione, un GIS permette di integrare operazioni comuni di un database quali 
interrogazioni ed analisi statistiche, con i vantaggi unici offerti dalla possibilità di 
visualizzazione ed analisi geografica offerti da una mappa (Figura 1.6).  
 
 
Persone 
Cattura 
Salvataggio 
Manipolazione 
Analisi dei dati 
Utilizzo Procedure 
HW-SW 
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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Queste possibilità distinguono un GIS da altri sistemi informativi e lo rendono adatto a 
vari campi di utilizzo sia nel campo pubblico che privato per spiegare fenomeni, 
pianificare strategie e in generale per tutti quei problemi in cui è presente una 
componente geografica. Un GIS permette di inserire sia dati geografici che tabellari.  
 
Figura 1.6: Organizzazione di un GIS 
È possibile manipolare ed analizzare dati per ottenerne altri con cui sia più facile 
lavorare, risposte a particolari domande o soluzioni a particolari problemi. Il GIS è uno 
strumento per l'integrazione di dati provenienti da fonti eterogenee (multisorgenti). 
Il reperimento e l'integrazione di queste fonti costituisce il vero punto di forza dello 
strumento, ma ne rappresenta anche il principale costo. Prima che possano essere 
utilizzati da un GIS, i dati geografici devono essere convertiti in un idoneo formato 
digitale (gestibile dal calcolatore). Il processo di conversione dei dati dalle mappe 
cartacee ai file digitali è denominato digitalizzazione.  
La moderna tecnologia GIS è in grado di automatizzare questo processo per grandi 
progetti utilizzando il sistema della scansione, mentre per attività di minore entità è 
possibile ricorrere alla digitalizzazione manuale.  
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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In diversi casi, è anche possibile trasformare materiale digitale preesistente (attraverso 
un cambio di formato, una traslazione, un cambio di scala o di proiezione) per renderlo 
compatibile con il sistema software utilizzato. Al giorno d'oggi molti tipi di dati 
geografici sono già disponibili in formato digitale e possono essere acquisiti da fornitori 
specifici e caricati direttamente nel GIS. 
È verosimile che i dati precedentemente introdotti necessitino di trasformazioni per 
ottenere la visualizzazione richiesta, in quanto si devono far interagire informazioni 
geografiche disponibili a scale differenti. Prima che tali informazioni possano essere 
integrate, devono essere ricondotte ad una medesima scala (livello di dettaglio o 
accuratezza).  
Tale trasformazione può essere solo temporanea per scopi di visualizzazione o 
permanente per eseguire analisi. La tecnologia GIS offre molti strumenti per manipolare 
i dati spaziali e per eliminare le informazioni non necessarie. 
È possibile utilizzare un GIS per visualizzare sia i dati spaziali sia i loro attributi. 
Entrambi i tipi di dati possono essere visualizzati a video o inviati su una stampante o 
plotter. I dati spaziali (punti, linee e poligoni) possono essere memorizzati come livelli 
informativi (dall’inglese layers) separati nel database geografico. È possibile 
visualizzare tutti gli oggetti o solo alcuni di essi. 
I dati descrittivi (attributi) permettono di comunicare ciò che gli oggetti geografici 
rappresentano. È possibile produrre elenchi in formati tabellari, utilizzare i dati 
descrittivi (attributi) per determinare come oggetti specifici saranno visualizzati, o usare 
l'informazione degli attributi per selezionare e visualizzare specifici oggetti. Scegliendo 
opportunamente la simbologia, è possibile visualizzare diversi attributi per un singolo 
livello informativo (ad esempio, la larghezza della linea può indicare il numero di corsie 
di una strada e il colore della linea il tipo della strada stessa). 
Avendo a disposizione un GIS funzionante e contenente informazioni geografiche, è 
possibile rivolgere al sistema semplici domande che combinano le informazioni 
geografiche con quelle descrittive.  
Capitolo I: I Sistemi Informativi Geografici 
 
 
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Il GIS consente sia semplici ricerche del tipo “clicca in un punto della mappa ed ottieni 
informazioni”, sia sofisticate analisi per fornire informazioni tempestive a manager ed 
analisti. L'analisi geografica è un processo che aiuta a trovare risposte o soluzioni a 
particolari problemi geografici.  
La chiave per un'efficiente analisi geografica è la capacità di analizzare le relazioni 
geografiche di oggetti che si trovano in livelli informativi separati. Questo viene 
eseguito unendo spazialmente oggetti geografici da livelli informativi diversi 
utilizzando un processo denominato “overlay spaziale”. Dopo un overlay spaziale sia gli 
attributi che le forme dei dati originali vengono fusi in un unico livello informativo 
creando nuove relazioni spaziali. Una volta terminato è possibile interrogare i nuovi 
oggetti spaziali così ottenuti utilizzando sia interrogazioni spaziali, sia interrogazioni 
sugli attributi.