Aggiornamento speditivo della cartografia tecnica a media scala con l impiego di aereofoto e di immagini satellitari ad alta risoluzione.

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1 Amministrazione Provinciale di Piacenza Dipartimento Politiche di Gestione del territorio e Tutela dell ambiente. UOA Monitoraggio delle risorse territoriali e ambientali. Loc. Gariga, Podenzano (PC) Aggiornamento speditivo della cartografia tecnica a media scala con l impiego di aereofoto e di immagini satellitari ad alta risoluzione. P. Lega Rapporto interno n. 209/m/98 Luglio 1998 Premessa. L aggiornamento della cartografia tecnica a media e piccola scala viene eseguito tradizionalmente attraverso la interpretazione visuale di singole aereofoto o di coppie stereografiche di foto, opportunamente ortorettificate; le riprese aeree vengono eseguite su pellicole pancromatiche o a colori o infrarosse, a quote molto diverse: indicativamente dai 2000 m circa (nel qual caso la scala dei fotogrammi può risultare attorno a 1:15000 a seconda del formato della pellicola e della focale dell obiettivo), a 5000 m circa (scala indicativa 1:35000), fino ad alta quota (7000 m indicativamente, con una scala attorno a 1:70000). A causa della elevata risoluzione del fotogramma, le riprese a bassa quota possono essere ingrandite a stampa fino a piccola scala (1:2000) conservando una altissima risoluzione geometrica, che può giungere all ordine decimetrico. Questa elevata risoluzione consente al fotointerprete di individuare e riportare sulla cartografia di base ogni nuovo particolare visibile (nuovi edifici di ogni dimensione, nuove strade, ecc.) e ogni modifica geometrica a strutture preesistenti (carraie, strade, alvei, canali, siepi, ecc.). Il costo della ripresa aerea e della fotorestituzione ha tuttavia fortemente influenzato la frequenza degli aggiornamenti della cartografia tecnica regionale, che nel nostro caso è stata eseguita con una frequenza di un aggiornamento ogni 10 anni o più. La disponibilità di riprese ottiche da satellite sta ora modificando sensibilmente questo scenario, soprattutto in virtù della crescente risoluzione geometrica che caratterizza i sensori installati a bordo delle piattaforme orbitanti, della economicità delle immagini. Ed infine dell innegabile vantaggio della loro natura digitale e pertanto e pertanto della possibilità di un loro immediato processamento al computer. Fino al 1996 i satelliti SPOT francesi, dotati dei sensori HRV, hanno fornito le immagini pancromatiche più dettagliate, con una risoluzione geometrica al suolo di 10 m. in una singola banda elettromagnetica compresa tra 0.51 e 0.73 µ, e quindi coprente il campo visibile ad esclusione del blu; dal 1996 si sono rese disponibili le immagini pancromatiche riprese dal satellite indiano IRS-1C dotato di una camera pancromatica (PAN) ad alta risoluzione, che raggiunge una risoluzione geometrica al suolo di 5.8 m in una unica banda tra 0.50 e 0.75 µ.; le immagini pancromatiche dell IRS-1C vengono poi cedute al pubblico ricampionando i pixel con un lato di 5 m. e:\testi\rappint\98_209m.doc 1

2 A tutt oggi le immagini pancromatiche dell IRS-1C costituiscono il prodotto a miglior risoluzione geometrica al suolo disponibile sul mercato civile; tuttavia sono attualmente in preparazione nuovi satelliti a migliore risoluzione: un satellite americano, l Early Bird realizzato dalla Earth Watch Inc., dotato di un sensore pancromatico in grado di eseguire riprese con risoluzione geometrica al suolo di 3 m., è stato lanciato nel Dicembre 97 ma a causa di un guasto al sistema di alimentazione è diventato ora inutilizzabile. Nel giro di un anno da oggi tuttavia saranno tre le compagnie che renderanno operativi satelliti ottici dotati di sensori VHSR (Very High Spatial Resolution) in grado di fornire immagini pancromatiche alla risoluzione geometrica a terra di 1 m.: la stessa Earth Watch Inc. che sta ora realizzando una serie di satelliti per l osservazione terrestre, i Quick Bird, il primo dei quali, il Quick Scat, dovrebbe essere lanciato nel Novembre del 1998, e sarà dotato di sensori pancromatici con risoluzione geometrica al suolo di 0.8 m e di sensori multispettrali operanti su 4 bande con risoluzione geometrica di 3 m.; la Space Imaging EOSAT s lancerà entro l estate il satellite IKONOS 1 con un sensore pancromatico da 1 m. di risoluzione spaziale ed uno scanner multispettrale (MSS) da 4 m. di risoluzione; infine entro il 99 l ORBIMAGE lancerà il suo OrbView-3 con 2 sensori del tutto analoghi in prestazioni a quelli dell IKONOS. Anche se immagini digitali a risoluzione così elevata porranno ovviamente nuovi problemi relativi all ingente volume di dati da trattare, che comunque saranno ben affrontati dalla crescente velocità e capacità dei sistemi di elaborazione, queste nuove ed imminenti riprese saranno decisamente competitive alle aereofoto sia sul piano delle caratteristiche tecniche che su quello economico, essendo in più disponibili (condizioni atmosferiche permettendo) con una ripetitività di giorni e naturalmente in formato digitale immediatamente elaborabile al computer. Con l operatività dei 3 satelliti ad alta risoluzione spaziale diventerà dunque possibile aggiornare le cartografie tecniche a piccola scala (1:5000) a costi nettamente competitivi e con procedure informatiche. Materiali e metodi. L analisi che è stata condotta ha avuto lo scopo di dimostrare l utilità della integrazione di aereofoto anche ad alta quota e di immagini satellitari pancromatiche ad alta risoluzione (5 m.) per l aggiornamento speditivo della cartografia tecnica a media scala (1:10000/1:25000): tale aggiornamento può consentire di disporre di carte topografiche aggiornate relativamente alla presenza di strutture edificate e di modifiche più macroscopiche del territorio (strade, siepi, canali, ecc.), seppure di non elevato dettaglio. La presente analisi è stata condotta su di un area di circa 3x3 km. comprendente a N la frazione de I Vaccari in Comune di Piacenza e a S la frazione di S. Polo in comune di Podenzano, dove il Servizio Infrastrutture e Protezione Civile del Dipartimento Politiche di Gestione del Territorio e di Tutela dell'ambiente dell Amministrazione sta progettando lavori di ampliamento e modifica della Strada Provinciale Piacenza-S.Giorgio, ed è pertanto interessato alla realizzazione di un monitoraggio aggiornato e dettagliato delle modifiche strutturali al territorio intervenute nell area dagli ultimi aggiornamenti della CTR 1:5000 e 1:10000 ( ). Sono state prese in considerazione le seguenti fonti di informazioni cartografiche e territoriali: a) stralcio della CTR 1:10000, tavola ( S.Polo ). ed e 1987; b) Aereofoto Volo Italia 1994 ad alta quota (scala originale 1:75000) stampata con ingrandimento a scala 1:10000 sul taglio della tavola CTR 1:10000 n (S.Polo); il riquadro di interesse di dimensione A4 è stato poi scannerizzato a 200 dpi; c) Immagine pancromatica IRS-1C, scena 27/37-D quadrante 1, nella ripresa del , ricampionata a 5 m. di risoluzione geometrica; l immagine è stata acquisita presso il distributore europeo Euromap (Neustrelitz, D). e:\testi\rappint\98_209m.doc 2

3 L elaborazione delle immagini è stata eseguita utilizzando il software Ermapper rel. 5.5 su di una piattaforma PC Pentium 150 con W95. L analisi è stata condotta in due fasi: dapprima sono state individuate sull aereofoto del 94 le aree interessate a modifiche strutturali rispetto al contenuto della CTR 1:10000; per fare questo si è proceduto a scannerizzare a 200 dpi in A4 lo stralcio della CTR di interesse e successivamente a confrontarla a video con l analogo stralcio scannerizzato dell aereofoto. Entrambe le immagini digitali sono state rettificate e georeferenziate nel sistema UTM utilizzando una decina di GCP (punti di controllo a terra) con l ausilio del software Ermapper. Il secondo passo è consistito nell individuare sull immagine IRS-1C del 97, precedentemente rettificata e georeferenziata con il medesimo procedimento, le aree interessate ad apparenti modifiche strutturali rispetto al contenuto dell aereofoto del 94 (singoli oggetti o zone con contrasto di colore più accentuato); su ognuno di questi particolari è stato poi eseguito un controllo diretto a terra allo scopo di verificarne la consistenza e la tipologia. Per evidenziare le strutture edificate sull immagine IRS-1C è stato eseguito dapprima uno stretching (stiramento) del contrasto che ha permesso di far risaltare i pixel più chiari sullo sfondo della vegetazione o del terreno o delle strutture stradali; in seguito, per facilitare l emergenza dei pixel caratterizzati da un repentino cambiamento di riflettività, sono stati provati diversi filtri passaalto, fra i quali il più efficace è risultato il filtro di Ford 5x5. La possibilità di sovrapporre più immagini georeferenziate ma con caratteristiche ottiche diverse offerta dal software Ermapper ha consentito infine di confrontare direttamente per sovrapposizione la CTR e l aereofoto del 94, nonché questa e l immagine IRS-1C del 97, rendendo quasi automaticamente evidenti le zone caratterizzate da una differente condizione edificativa. Risultati In fig. 1 è riportato lo stralcio della CTR 1:10000, tavola , zona S.Polo - I Vaccari, scannerizzata a 200 dpi; in fig. 2 è riportato lo stralcio della foto aerea 1994, stessa zona, con evidenziati in verde i particolari che risultano evidentemente nuovi rispetto alla CTR; in fig. 3 è riportato il medesimo stralcio della foto aerea 1994, stessa zona, in cui sono stati evidenziati in rosso le zone in cui nella successiva immagine IRS-1C compaiono nuovi particolari contrastati o evidenziati dal filtraggio e che non risultano visibili nella aereofoto. In fig. 4 infine è riportato lo stralcio dell immagine IRS-1C pancromatica del , in toni di grigio con sovrapposto in giallo il reticolo stradale vettoriale ricavato dal database Arc-Info del SIT della Provincia di Piacenza; l immagine è stata elaborata applicando lo stretch del contrasto ed un filtro passa-alto di Ford 5x5 per evidenziare i pixel caratterizzati da repentini mutamenti di riflettività; il pixel ha una dimensione geometrica al suolo di 5x5 m. In fig. 2 si possono ben osservare i nuovi insediamenti residenziali in loc. I Vaccari, a O e a NE dell abitato storico contrassegnato sulla CTR (particolari a, b, c, d); l espansione della zona artigianale ad O della località Crocetta (particolari e, f); una nuova opera in terreno agricolo, probabilmente residenziale in direzione NE rispetto a S. Polo (particolare g); l espansione di un area verosimilmente artigianale a sinistra della strada provinciale, subito a NO del centro storico di S. Polo (particolare h); un nuovo insediamento residenziale (tipico aspetto della lottizzazione con disposizione ortogonale di strade e ville) sul vertice di NE dell abitato di S. Polo (particolare i); nuove ed articolate strutture abitative e stradali all interno dell abitato di S. Polo (particolari l, m, n, o). Dal confronto di fig. 3 e fig. 4 si possono osservare le seguenti modifiche di struttura: e:\testi\rappint\98_209m.doc 3

4 a. una vasta area chiara, a geometria longitudinale con doppia curva, contornata da un bordo più scuro (particolare a): si tratta di una nuova strada inghiaiata, probabilmente destinata ad una lottizzazione, contornata da depositi di materiale edile; b. area rettangolare fortemente contrastata (particolare b), collocata al confine di un campo dove scorre una strada carraia (aereofoto e CTR): si tratta di un capannone ad uso agricolo dal tetto in eternit o simile e di dimensione approssimativa 20x10, di recente costruzione; c. piccola area rettangolare (2 pixel, indicativamente 5x10 m.)) modestamente contrastata, sulla riva sinistra del Rio Bertone, a S dell abitato dei Vaccari (particolare c); si tratta di un deposito di materiale vegetale o organico, coperto da teli plastici e quindi precario; d. piccola area rettangolare sul lato N della strada comunale dalla Crocetta a C. Bolla (particolare d), composta da un area scura esterna e da una più chiara interna; si tratta di un recinto in muratura che circonda un piazzale disomogeneo ricoperto di materiale di riporto; e. area chiara ben contrastata rispetto alla vegetazione, ma con contorni irregolari, collocata a NE dell abitato di S. Polo sulla strada comunale della Fornace (particolare e); si tratta di una villa di recente costruzione affiancata ad un edificio più piccolo antecedente; f. area rettangolare chiara sul lato S della strada S. Polo Turro, di dimensione indicativa 6x12 pixel = 30x60 m, con una sottoarea meridionale e trasversale più chiara (particolare f): si tratta di un piazzale in ghiaia con un piccolo capannone agricolo sul lato meridionale; g. area chiara ben contrastata con elevata riflettività a NO dell abitato di S. Polo (particolare g); lo stretch del contrasto e la procedura di filtraggio permettono di individuare 3 strutture regolari in senso longitudinale, a N di una quarta in senso verticale, già presente nell aereofoto del 94: si tratta di 3 capannoni artigianali di recente costruzione e con tetti in eternit o simile; le due strutture chiare sulla destra potevano probabilmente già essere individuate sulla aereofoto del 94; h. piccola area chiara ben contrastata e isolata a S dell insediamento Savi sulla via comunale S. Polo - Gariga (particolare h); si tratta di un nuovo capannone artigianale di recente costruzione; i. area con numerose strutture affiancate e difficilmente separabili, con contorni non ben definiti, a E dell abitato di S. Polo, sul lato meridionale della strada comunale della Fornace (particolare i): si tratta di una nuova area residenziale con villette vicine e geometricamente non regolari; I particolari di maggiore dimensione possono essere zoomati per poter acquisire informazioni più dettagliate sulla loro geometria e sulle loro dimensioni: in fig. 5 è stato rappresentato il particolare g di fig. 4, mantenendo attivo il filtro di Ford 5x5 e ricalcolando lo stretch del contrasto: si individuano abbastanza distintamente i 3 capannoni nuovi (1, 2, 3), di cui il primo leggermente più allungato (dimensione approssimativa 11x3 pixel, 55x15 m.), gli altri due meno (lunghezza 8-9 pixel, 40 m.); in basso il capannone (4) già presente nella aereofoto del 94 e nella stessa CTR, e a destra gli edifici 5 e 6 che potrebbero essere individuati nell aereofoto del 94 (particolare h di fig. 2) anche se non chiaramente (forse in fase di costruzione, come pure tale può essere l area chiara in fig. 2 in corrispondenza del capannone 1 di fig. 5. Risulta inoltre evidente da fig. 5 la diversa riflettività dei materiali di copertura: molto maggiore quella dei tetti in eternit o similare o in lamiera verniciata dei capannoni artigianali, inferiore quella dei tetti in coppi o tegole delle abitazioni (vedi ad es. gli edifici 7, 8 e 9 che per emergere con evidenza richiederebbero un ulteriore stretch del contrasto). Il riconoscimento semiautomatico delle nuove strutture edificate a computer può essere facilitato dalla sovrapposizione delle immagini, purché queste siano state opportunamente rettificate e georeferenziate nel medesimo sistema di coordinate: un esempio è riportato in fig. 6, dove sono e:\testi\rappint\98_209m.doc 4

5 state sovrapposte in falsi colori la CTR 1:10000 di fig. 1 e l aereofoto 1994 di fig. 2, in un particolare di dettaglio dell abitato di S. Polo (particolari h, i l della fig. 2); nell immagine risultante compaiono in verde brillante i dettagli che erano rispettivamente scuri sulla CTR e chiari sulla aereofoto, e quindi le aree edificate presenti in entrambe; in verde-grigio sono invece evidenziati i dettagli che erano rispettivamente chiari sulla CTR e chiari sull aereofoto, e quindi le aree di nuova edificazione al 1994: sono evidenti in questo caso le aree identificate nei particolari h, i e l di fig. 2; infine in violetto risalta il terreno agrario, che risultava bianco sulla CTR e scuro sull aereofoto. Da ultimo in fig. 7 è stato riportato il medesimo stralcio della CTR 1:10000, foglio , di fig. 1, con evidenziate in colore tutte le aree identificate sia sulla aereofoto del 94 che sull immagine IRS-1C del 97 come possibili sedi di nuove strutture edificate o di modificazioni topografiche. Bibliografia minima. 1. J. A. Richards, Remote sensing digital image analysis, an introduction., Springer Verlag 1995 e:\testi\rappint\98_209m.doc 5

6 Fig. 1 Stralcio dalla CTR 1:10000, foglio , edizione 1979; zona S.Polo-IVaccari e:\testi\rappint\98_209m.doc 6

7 a b c d I Vaccari f e Crocetta g h i l m n o S. Polo Fig. 2 Stralcio della aereofoto 1994 da stampa 1:10000 e scannerizzata a 200 dpi. e:\testi\rappint\98_209m.doc 7

8 a b I Vaccari c d Crocetta e f g h i S. Polo Fig. 3 Stralcio dell aereofoto 1994, scannerizzata a 200 dpi; zona S. Polo - I Vaccari. e:\testi\rappint\98_209m.doc 8

9 a b c I Vaccari d Crocetta e f h g i S. Polo Fig. 4 Immagine IRS-1C pan. del , con stretch del contrasto e filtrata. e:\testi\rappint\98_209m.doc 9

10 Fig. 5 Il particolare g di fig. 4 ingrandito e sottoposto al ricalcolo dello stretch. h i l S. Polo Fig. 6 Sovrapposizione della CTR e dell aereofoto 94, particolari h, i, l di fig. 2. e:\testi\rappint\98_209m.doc 10

11 Fig. 7 Stralcio della CTR 1:10000, foglio di fig. 1 con sovrapposte le aree interessate a probabili nuove strutture edificate. e:\testi\rappint\98_209m.doc 11

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