TECNICHE INNOVATIVE PER IL RILEVAMENTO TERRESTRE, AEREO E DA SATELLITE

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1 TECNICHE INNOVATIVE PER IL RILEVAMENTO TERRESTRE, AEREO E DA SATELLITE Vittorio CASELLA, Riccardo GALETTO Dipartimento di Ingegneria Edile e del Territorio - Università di Pavia Riassunto La nota presenta quattro tecniche di rilevamento innovative: l'uso di immagini da satellite ad alta risoluzione per la produzione cartografica; il mobile mapping per la acquisizione di dati sulle strade e, più in genere, per effettuare la fotogrammetria terrestre dinamica; il laser scanning per la realizzazione di DTM di alta qualità; le tecniche di interferometria SAR per la realizzazione di estesi DTM regionali. Di ognuna si descrivono i principi di funzionamento e si indicano i campi di utilizzo più interessanti. Abstract This paper illustrates four innovative surveying techniques: the usage of high resolution satellite images for map production; the mobile mapping systems, conceived to collect data about roads, but now used also as tools of dynamical terrestrial photogrammetry; the laser scanning for the measurement of high quality DTMs; the SAR interferometry to make large regional DTMs. The paper is describing the main features of each technique, together with the most interesting uses of them. 1 Introduzione Le discipline legate al rilevamento del territorio sono state caratterizzate negli ultimi anni da molti importanti cambiamenti e dalla comparsa di tecniche nuove. Sono certamente nuovi il laser scanning e le tecniche di mobile mapping; non sono nuove le tecniche SAR, ma è solo dall'inizio degli anni '90 che sono disponibili satelliti SAR di buone prestazioni per uso civile; non è nuova infine la disponibilità di immagini della Terra prese da satelliti, ma è recente la possibilità di raggiungere anche in campo civile risoluzioni compatibili con la produzione di carte topografiche a piccola e media scala. La relazione ha come argomenti proprio queste quattro tecniche, di cui verranno presentati i principi di funzionamento e i possibili utilizzi, insieme con qualche cenno alle esperienze italiane in tali settori. 2 L'uso cartografico di immagini da satellite La disponibilità di immagini da satellite non è una novità, come dimostra la lunga storia dei satelliti Landsat, americani, e SPOT, prodotti e gestiti dalla agenzia spaziale francese CNES. I sensori francesi, in particolare, hanno offerto all'utenza civile la possibilità di utilizzare immagini da satellite con finalità cartografiche, grazie alla buona risoluzione a terra, pari a 10 metri per le immagini pancromatiche e 20 metri per le immagini multispettrali. 33

2 2.1 La tecnologia consolidata SPOT è dotato di un sensore pancromatico e di tre sensori multispettrali di cui due nel campo visibile e uno nell'infrarosso vicino: tutti i sensori sono lineari, digitali e hanno una risoluzione radiometrica di 8 bit (256 livelli). I satelliti francesi sono posizionati a un'altezza di 820 Km e hanno la possibilità di ruotare i sensori attorno a un asse parallelo alla rotta, in modo che sia possibile riprendere la stessa zona da rotte diverse e con una separazione temporale che non supera i cinque giorni (Spalla, 1981): le coppie di immagini così ottenute sono sovrapposte nella direzione ortogonale alla rotta del satellite, dunque si parla di stereoscopia trasversale o across-track. Il primo satellite SPOT fu lanciato il 22 febbraio 1986 e dunque si può certamente dire che si tratta di una tecnologia ben collaudata. L'ultimo satellite, il quarto della serie, è stato lanciato il 24 marzo 1998 e dichiarato operativo il 26 maggio dello stesso anno, il che conferma come il sistema francese sia in continua evoluzione. Si parla già a questo proposito di SPOT 5, programmato per i primi anni del nuovo secolo, che dovrebbe avere una risoluzione a terra di 5 m per le immagini pancromatiche e di 10 m per le prese multispettrali. Delle immagini SPOT si può fare un vero e proprio uso fotogrammetrico per la produzione di carte topografiche a piccola scala (l'ente gestore vende direttamente le coppie stereo), oppure possono essere raddrizzate in modo differenziale per creare ortofoto (la spazio-carta dell'igmi, alla scala 1:50000, è proprio prodotta a partire da immagini SPOT, ad esempio), oppure ancora possono essere usate per il calcolo automatico di DTM con tecniche di correlazione automatica. Per quanto riguarda la precisione ottenibile, è chiaro che l'errore planimetrico è determinato dalla dimensione sul terreno del pixel, mentre per quanto riguarda l'altimetria ci sembra interessante riportare l'incertezza dichiarata del DTM prodotto e venduto dallo stesso CNES: metri nel caso di modelli digitali prodotti con le immagini pancromatiche. 2.2 La situazione attuale Sebbene la produzione di immagini da satellite con potenzialità cartografiche sia dunque acquisita da tempo, solo recentemente questo settore ha visto una forte espansione sia per l'accresciuto numero dei sensori disponibili, sia per i grandi miglioramenti nella risoluzione a terra che sono stati già conseguiti, e che dovrebbero essere conseguiti a breve, sia infine perché la distribuzione di prodotti del telerilevamento ha avuto una fortissima espansione fino a darle i connotati di un vero e proprio fenomeno commerciale. Questa nota non ha l'ambizione di elencare tutti i sistemi disponibili, in quanto sono ormai troppi, ma solo di indicarne alcuni fra i più significativi. 34

3 Sono state recentemente messe sul mercato immagini prodotte da satelliti russi: essi sfruttano tuttora la pellicola per la memorizzazione delle immagini e sono costretti ad espellere periodicamente i rullini, in modo che caschino sulla Terra e possano essere recuperati. Tale caratteristica tecnica non penalizza certo la qualità dei prodotti (i russi ne affermano anzi la superiorità) ma pone gravi limitazioni alla operatività ai satelliti, le cui missioni durano poche settimane (circa 45 giorni nel caso del satellite Cosmos), dopo di che devono essere fatti atterrare; fortunatamente gran parte del materiale tornato a Terra può essere riutilizzato nelle missioni successive. Fra le immagini di provenienza russa, le più note sono probabilmente quelle prodotte dal satellite Cosmos che opera a circa 220 Km di altezza e che ha a bordo una vera e propria camera fotogrammetrica, TK-350, caratterizzata dalla proiezione centrale dell'immagine e da un ricoprimento longitudinale (along-track) che può arrivare a 80%, e una camera panoramica detta KVR Le immagini prodotte dalla TK-350 hanno una risoluzione a terra di 8-10 metri e vengono scandite proprio a 10 metri, mentre le immagini prodotte dalla camera KVR-1000 vengono scandite a 2 metri; entrambi i prodotti sono pancromatici. Le immagini prodotte dalle due camere hanno un ruolo sinergico. Quelle a 10 metri sono fotogrammetriche a tutti gli effetti ed è possibile effettuare la triangolazione aerea di un strisciata, con il grande vantaggio, rispetto ai prodotti di altri satelliti, che le immagini che compongono il blocco sono contemporanee. I punti di appoggio non sono strettamente necessari in quanto il satellite Cosmos è dotato di una serie di strumenti capaci di determinare posizione e orientamento del veicolo in ogni istante, tuttavia il loro uso migliora significativamente i risultati. Le immagini in questione ben si prestano per la produzione manuale o automatica di DTM con la precisione di qualche metro: orientando le immagini con alcuni punti di appoggio a terra, sono stati raggiunti eqm in quota di 4.1 metri (Fomtchenko, Tchekalin, 1997). Il DTM così prodotto viene generalmente usato per la ortorettificazione delle immagini a 2 metri, più ricche di dettagli, che sono al momento le immagini disponibili per l'uso civile a maggior risoluzione. Fra i molti sensori russi, merita infine una menzione l'mk-4, montato su satelliti RESURS-F2, capace di una risoluzione a terra di 6-8 metri in multispettrale. Le immagini di provenienza russa sono certamente molto interessanti tuttavia sono stati talvolta segnalati alcuni problemi: anzitutto il processo di sviluppo e stampa non sempre viene svolto nel migliore dei modi, con conseguente degradazione delle immagini prodotte, inoltre il fatto che le missioni dei satelliti durino poche settimane (a causa della già richiamata scelta di usare camere a pellicola e non sensori digitali) impedisce la produzione di immagini in tempo quasi reale, che è invece un punto di forza di altre tecnologie; al contrario le immagini russe che oggi circolano provengono da archivi e non è raro che abbiano più di dieci anni. Il sensore tedesco MOMS-02 (Modular Opto-electronic Multispectral Stereo scanner) è stato progettato e costruito nell'ambito di un progetto di ricerca tedesco dunque, a differenza degli altri sistemi presi in considerazione, non è stato e non sarà impiegato per fini puramente produttivi. Esso non si identifica con un particolare satellite, ma è stato in passato installato sullo Space Shuttle (a una altezza di circa 300 Km, alla quale si riferiscono le risoluzione al suolo indicate di seguito) in una missione dell'aprile-maggio 1993 ed è attualmente montato sul modulo Priroda della stazione spaziale russa MIR (a una altezza di circa 400 Km). Esso è dotato di sette sensori digitali lineari: quattro di essi sono multispettrali (tre nel visibile e uno nell'infrarosso vicino) e realizzano prese nadirali con risoluzione a terra di 13.5 metri; gli altri sensori sono pancromatici e sono ulteriormente differenziati in quanto uno è nadirale e ha una risoluzione a terra di 4.5 metri, mentre gli altri due hanno una risoluzione di 13.5 metri e formano angoli di +/ gradi con la verticale. 35

4 Tutti questi sensori non possono essere usati contemporaneamente, ma solo opportunamente combinati; in particolare i sensori pancromatici inclinati rendono possibile la stereoscopia longitudinale. L'attività spaziale dell'india è molto intensa e tale Stato dispone di numerosi satelliti fra i quali le unità gemelle IRS-1C e IRS-1D lanciate rispettivamente nel dicembre 1995 e nel settembre 1997 e operanti su orbite aventi altezza media da terra di 817 Km: il primo veicolo svolge attività commerciale da tempo, mentre il secondo dovrebbe essere dichiarato operativo tra breve, dopo una fase di test. I satelliti sono dotati di diversi sensori, il più interessante dei quali è, dal punto di vista cartografico, quello pancromatico, avente risoluzione geometrica a terra di 5.8 metri e risoluzione radiometrica di 6 bit, corrispondenti a 64 livelli: la risoluzione radiometrica non elevatissima è il prezzo pagato alla alta risoluzione geometrica, allo scopo di mantenere ragionevoli le dimensioni dei dati prodotti. Vi è anche la possibilità di modificare l'orientamento del sensore secondo lo schema usato anche da SPOT: questo consente di effettuare prese stereoscopiche e di ripetere osservazioni con intervalli non maggiori di 5 giorni. 2.3 Il futuro prossimo Anzitutto la storia dei satelliti ad altissima risoluzione annovera già una vittima, il satellite EarlyBird, lanciato dalla compagnia privata americana Earth Watch il 24 dicembre 1997 da un sito russo: il satellite, capace di una risoluzione a terra di 3 metri in pancromatico, è stato felicemente messo in orbita, ma non ha mai funzionato correttamente ed è stato dichiarato fuori servizio nei primi mesi del Ciononostante sono annunciati per i prossimi anni tre satelliti capaci di una risoluzione pari a 1 metro: si ha la sensazione di assistere a una vera e propria corsa alle prime immagini con tale risoluzione. In ordine cronologico, il primo lancio dovrebbe riguardare il satellite Ikonos-1, della compagnia Space Imaging, e dovrebbe avvenire entro il 1998, anche se il condizionale è d'obbligo perché il lancio è stato più volte rimandato. Ikonos-1 dovrebbe essere seguito nel 1999 da un gemello, Ikonos-2. I due satelliti navigheranno a un'altezza di 681 Km e saranno dotati di un sensore pancromatico capace di una risoluzione di 1 metro e di 4 sensori multispettrali (sensibili a tre bande nel visibile e ad una nell'infrarosso vicino, una scelta abbastanza comune in questo tipo di veicoli) con risoluzione al suolo di 4 metri. Le immagini prodotte dai vari sensori avranno una profondità di 11 bit, corrispondenti a 2048 livelli. Un altro satellite ad altissima risoluzione sarà QuickBird, della compagnia Earth Watch, il cui lancio è programmato per il 1999; esso sarà messo in orbita da un vettore russo, come è avvenuto del resto per il suo predecessore EarlyWatch. QuickBird è analogo a Ikonos-1 per risoluzione geometrica, radiometrica e spettrale. Per finire, l'anno 1999 dovrebbe vedere anche il lancio del satellite OrbView-3, analogo per prestazioni a Ikonos-1 e QuickBird, da parte della compagnia commerciale americana Orbimage. 36

5 Questa compagnia ha già una flotta di due satelliti, OrbView-1 e OrbView-2, progettati per scopi non cartografici, e ha già programmato per il 2000 il lancio di OrbView-4 che si differenzierà rispetto a OrbView-3 per la presenza di 200 canali iperspettrali, nel range nm, aventi risoluzione al suolo di 8 metri. 2.4 Gli aspetti commerciali e considerazioni conclusive E' davvero grande il numero di compagnie private che vendono immagini da satellite direttamente e facilmente, spesso tramite Internet. Nel sito web di alcune compagnie è infatti possibile scegliere una zona del mondo interattivamente, indicandola su una cartina e il server fornisce in tempo reale l'elenco dei diversi prodotti commercializzati dalla compagnia che si riferiscono a quella zona; in alcuni casi, soprattutto se non servono molti dati, è possibile acquistarli direttamente con carta di credito e scaricarli immediatamente. Altre compagnie forniscono ai loro clienti un servizio di allerta per quando nuove riprese riguardanti una certa zona si rendono disponibili, il cliente è allertato con un messaggio di posta elettronica contenente anche una versione a bassa risoluzione delle nuove immagini, che può decidere di ordinare o meno. Grande è inoltre lo sforzo da parte dei venditori di offrire ai clienti prodotti finiti infatti nei listini vengono offerte non solo le immagini in formato raw, ma anche versioni elaborate: alcuni offrono addirittura ortofoto e DTM calcolati in modo automatico con le immagini stesse. Le immagini dallo spazio si avviano dunque ad essere uno strumento di uso comune e a rivaleggiare con le tradizionali foto aeree per la produzione cartografica a piccola e media scala. Pur essendo pienamente convinti del grande valore delle immagini da satellite, confermato da molti lavori, anche italiani (Guzzetti, Trebeschi 1997) e pur essendo certi del forte sviluppo che avrà il loro uso, riteniamo opportuno chiudere questa rassegna con un invito alla cautela. Anzitutto la geometria con cui è presa un'immagine da un sensore lineare (come nel caso di SPOT, IRS- 1C, MOMS, Ikonos-1, OrbView-3, QuickWatch) è estremamente più complessa della geometria tipica della fotogrammetria aerea e le operazioni di orientamento delle immagini presenta difficoltà di gran lunga maggiori ((Galetto, 1970), (Galetto, Sacchi Landriani, 1982), (Galetto, 1982)). Sono citati in letteratura casi in cui la generazione di DTM con immagini MOMS, per fare un solo esempio (Fritsch 1998), non ha fornito la precisione aspettata e gli illustri ricercatori coinvolti fanno fatica a capire perché, salvo affermare che l'orientamento delle immagini non è stato ottimale. Vi è poi il problema della contemporaneità delle immagini stereoscopiche. La maggior parte dei satelliti produce immagini sovrapposte trasversalmente e questa tecnica ha una grande flessibilità e garantisce la possibilità di avere immagini stereoscopiche non troppo lontane nel tempo; tuttavia si tratta pur sempre di immagini scattate a distanza di qualche giorno l'una dall'altra e in condizioni di illuminazione certamente differenti, in quanto i satelliti sono eliosincroni. Inoltre la garanzia di avere una seconda ripresa entro 3-5 giorni si paga col fatto che non tutte le coppie di immagini prodotte hanno un rapporto base/altezza favorevole. D'altra parte la stereoscopia longitudinale, sfruttata ad esempio da MOMS, offre immagini stereoscopiche distanziate di poche decine di secondi, ma è estremamente rigida e penalizzante sul piano della ripetitività delle osservazioni. Non ci risulta sia stata ancora raggiunta una sintesi superiore, capace di combinare i pregi e di eliminare contemporaneamente i difetti delle tue tecniche utilizzate finora. 3 Le tecniche di mobile mapping Mobile mapping è un'espressione con cui vengono indicate una pluralità di tecniche per la conoscenza del territorio aventi come elemento unificante l'uso di un veicolo in movimento. L'implementazione più diffusa è quella in cui su un furgone vengono installati una serie di sensori per l'orientamento istantaneo del mezzo (GPS, INS, odometri) e alcune telecamere digitali (o anche tradizionali) che riprendono in continuo, lungo direzioni differenti, il territorio nel quale il furgone si muove: il risultato che si ottiene è una sequenza di coppie o di ennuple fotogrammetriche 37

6 orientate. Tali veicoli sono stati sviluppati originariamente per raccogliere dati sulle strade, come tipo, posizione e dimensioni dei cartelli, dimensioni delle banchine, stato di manutenzione dell'asfalto, posizione e stato di manutenzione della segnaletica orizzontale, ma hanno un potenziale informativo che esce da questo ambito e li rende a tutti gli effetti strumenti dinamici per la fotogrammetria terrestre. Essi hanno il vantaggio delle velocità di presa e il vantaggio ancora maggiore di non interferire con il traffico nel quale si muovono. La mole di dati raccolti e la loro articolazione nello spazio e nel tempo non li rende facili da gestire, ma a questo provvedono i software distribuiti con i sistemi più perfezionati, che sono estremamente integrati e amichevoli. 3.1 I principi del funzionamento Durante le missioni il veicolo si muove non troppo velocemente e acquisisce una coppia di immagini (o una ennupla) periodicamente, con un intervallo di tempo scelto in modo da coprire tutto il territorio attraversato. I sensori montati sul veicolo hanno lo scopo di fornire l'orientamento esterno delle immagini riprese, in modo che le esse possano essere restituite fotogrammetricamente senza che sia necessario effettuare gli orientamenti. Figura 1 Il sistema GPSVision Analizziamo come ciò possa avvenire supponendo che un veicolo sia dotato di due camere fotogrammetriche: se un sistema è dotato di più di due camere, nulla cambia sul piano concettuale. Una volta montate, le camere hanno un orientamento relativo costante e definiscono un sistema di riferimento modello: misurando le coordinate lastra di uno stesso punto sulle due immagini si possono ricavare, per intersezione, le coordinate modello del punto stesso. Il centro di fase dell'antenna GPS definisce l'origine di un sistema locale di assi diretti secondo le direzioni di riferimento dell'ins: il passaggio dal sistema modello al sistema locale è ottenibile con una rototraslazione nello spazio i cui parametri sono costanti. Esiste infine un sistema di riferimento globale, per esempio WGS-84, e le misure GPS e INS forniscono proprio, ad ogni istante, i parametri per il passaggio dal sistema locale a quello globale tramite una rototraslazione. E' possibile dunque restituire qualunque fotogramma e trasformare le coordinate ottenute in coordinate globali; in altri termini, è noto l'orientamento esterno di tutte le coppie stereoscopiche prodotte. Resta da eseguire la conversione dal datum WGS-84 agli altri datum, ma si tratta di un problema ben noto. Perché tutto questo sia possibile è necessario, dopo aver fisicamente fissato al veicolo i diversi sensori, eseguire una procedura di calibrazione, del tutto analoga alla fase degli orientamenti nella fotogrammetria aerea o terrestre tradizionale, avente lo scopo di calcolare i diversi parametri dell'orientamento dei sensori. E' necessario determinare l'orientamento interno delle camere, il loro orientamento relativo, e i parametri della rototraslazione che fa passare dal sistema modello al sistema locale. La calibrazione viene eseguita riprendendo punti di coordinate note e determinando in modo inverso le incognite; nel caso dei MMV, esistono appositi programmi e procedure 38

7 per aiutare gli utenti e, in ogni caso, la calibrazione non deve essere eseguita spesso, ma solo quando i sensori vengono smontati e rimontati. 3.2 Le caratteristiche di alcuni sistemi commerciali Riassumeremo le principali caratteristiche di alcuni sistemi commerciali. Prenderemo anzitutto in considerazione il sistema GPSVision della Lambda Tech. Esso è dotato di un sistema integrato GPS-INS, quest'ultimo con un rate di acquisizione di 100 Hz, e di due camere CCD di cui una a colori e una in bianco e nero, entrambe con una risoluzione di 768x484 pixel. Come evidenzia la Figura 1, si tratta di un sistema veramente portabile e installabile su ogni veicolo. Il software a corredo è provvisto delle funzionalità necessarie per l'orientamento dei sensori del veicolo, per il trattamento delle osservazioni GPS e INS e per la restituzione fotogrammetrica. Esso permette all'utente di percorrere il rilievo fatto seguendo la traiettoria seguita dal mezzo, di osservare le immagini prese da un certo punto, e di determinare la posizione assoluta di un particolare, semplicemente indicandolo nelle due immagini. La determinazione delle coordinate di un particolare ha una precisione assoluta (eqm) pari a circa 50 centimetri per oggetti distanti 20 metri dal mezzo, mentre la precisione relativa è dell'ordine di pochi centimetri: ciò significa che, per fare un esempio, la posizione di un cartello è determinata con centimetri di errore, ma la sua altezza è misurata molto meglio. Figura 2 Il sistema VISAT Il software che correda il sistema dispone anche della capacità di cercare l'omologo di un punto, una volta che l'utente lo abbia indicato su una sola immagine e inoltre è possibile associare a un particolare che si sta misurando una scheda di informazioni alfanumeriche; per finire, tutte le informazioni raccolte possono essere esportate nei più diffusi formati di dati per GIS. Un altro sistema molto noto è prodotto dalla VISAT (Video cameras, Inertial system, and SATellite GPS receivers) ed è basato su un furgone attrezzato che opera alla velocità massima di 60 Km/h ed è dotato di GPS, INS e otto telecamere digitali. La precisione assoluta nella determinazione di un punto è di 30 cm (eqm), mentre la precisione relativa è di 10 cm per i punti che si trovano in un raggio di 35 metri dal furgone. Come nel caso precedente, il sistema è dotato di un set integrato di programmi per la calibrazione, l'elaborazione delle misure GPS-INS, la restituzione, tradizionale e assistita, la compilazione di database e l'esportazione verso altri ambienti. Esiste anche un veicolo per mobile mapping realizzato in Italia: si chiama D.A.V.I.D.E. e ha caratteristiche tecniche analoghe a quelle dei veicoli già presi in considerazione. E' dotato di GPS, INS, di un odometro, di 5 camere digitali a media risoluzione e di 2 camere digitali stereoscopiche ad alta risoluzione (1524 x 1012 pixel). Opera inoltre in Italia un sistema realizzato in America denominato ARAN (Automatic Road A- nalizer). Esso dispone di alcune delle funzionalità che caratterizzano gli altri sistemi, ma è soprat- 39

8 tutto dedicato al controllo dello stato di manutenzione delle strade ed è dotato di sensori per filmare l'asfalto della strada percorsa e di programmi capaci di individuare automaticamente le buche e le fenditure, di misurarle e classificarle. Il sistema provvede poi a inserire tali informazioni in un sistema informativo per l'analisi, la gestione e la programmazione della manutenzione. 3.3 Le esperienze italiane Le esperienze italiane nel campo del MMV sono piuttosto limitate. Ci sono stati contributi teorici da parte del gruppo dell'università di Udine ((Visintini, 1997), (Crosilla, Visintini, 1997)) dove si studia una metodologia per l'orientamento di MMV diversa rispetto a quella usualmente impiegata. L'algoritmo che è stato concepito e poi implementato in Matlab potrebbe fare a meno del GPS e del INS in quanto si assume che il veicolo mobile conosca una cartografia numerica della zona visitata e cerchi in essa le coordinate di punti visibili sulle immagini riprese dalle camere. L'orientamento istantaneo è determinato con un filtro di Kalman a partire dalle coordinate di un certo numero di punti noti in quanto individuati sulla cartografia. Le tecniche di mobile mapping sono state applicate in Italia anche per la misurazione delle sezioni di una autostrada; problema risolto montando su un'auto un GPS e uno scanner laser capace di scandire nella direzione ortogonale al senso di marcia, e percorrendo normalmente la strada da rilevare, senza alcun intralcio al traffico (Manzoni et al. 1997). 4 Il laser scanning: principi di funzionamento e applicazioni Il laser scanning è stato concepito nella sua configurazione attuale da meno di dieci anni e i primi strumenti capaci di un'autentica produzione risalgono a poco tempo fa: si può anzi affermare che tale tecnologia sta effettuando proprio in questo periodo il passaggio dalla giovinezza alla prima maturità (Flood, Gutelius 1997); molto probabilmente essa subirà ancora molte grandi e significative evoluzioni. Sebbene i sistemi oggi disponibili abbiano caratteristiche anche significativamente diverse, il principio di funzionamento comune è la scansione del territorio sorvolato da un aereo per mezzo di un telemetro laser, che determina la distanza dal terreno in funzione del tempo impiegato da un raggio laser a percorrere, alla velocità della luce, il tragitto di andata e ritorno. I sistemi per scansione laser vengono anche indicati con le sigle LRF (Laser Range Finder), ALSS (Airborne Laser Scanner System) e ALTM (Airborne Laser Terrain Mapper) che noi occasionalmente useremo. La conoscenza della posizione e dell'assetto dell'aereo in ogni istante, assicurata generalmente da un sistema integrato GPS-INS, permette di determinare la posizione nello spazio dei punti che hanno riflesso il raggio laser. Il GPS viene usato in modalità cinematica post-processata, dunque è necessaria la presenza di un secondo ricevitore a terra, su un punto di coordinate note. Normalmente i sistemi sono dotati anche di una o più telecamere aventi il compito di creare una documentazione visiva delle zone sorvolate, che si rivela spesso molto utile nella fase di elaborazione. 40

9 Il primo prodotto della scansione laser è un seminato di punti sparsi che costituiscono il DSM (Digital Surface Model) della zona sorvolata e vengono usualmente chiamati raw-data. Essi hanno una densità che arriva a qualche unità per metro quadro e possono essere usati direttamente oppure possono essere elaborati per calcolare i valori di una griglia regolare mediante tecniche di interpolazione e filtraggio. La presa dei dati può essere effettuata anche con un elicottero, capace di volare più basso e più lentamente di un aereo: la scelta dell'aeromobile dipende dal tipo di lavoro che si intende svolgere, come evidenzieremo nel corso della nota. In linea di principio, ogni sistema può essere montato sia su aerei che su elicotteri, ma gli apparati pensati per essere installati su aerei sono costituiti da vari pezzi, in modo da poter essere facilmente integrati su aerei fotogrammetrici, mentre i sistemi più adatti agli elicotteri sono quelli inseriti in appositi contenitori (pod) da fissare semplicemente sotto il mezzo. E' possibile fare scansioni laser anche da satellite ed è possibile, all'opposto, scandire monumenti o manufatti da terra: la nota non prenderà in considerazione tali possibilità, limitandosi a trattare le configurazioni della scansione laser utili per la produzione di DTM cartografici di alta ed altissima precisione. La presentazione esporrà gli elementi essenziali del funzionamento dei telemetri laser e della elaborazione dei dati, descriverà alcuni fra i principali sistemi oggi disponibili e indicherà i possibili utilizzi di questa nuova tecnologia, con particolare riferimento alla situazione italiana. 4.1 Il funzionamento dei telemetri laser aerotrasportati Consideriamo anzitutto il modo in cui la scansione del terreno viene effettuata: essa è il risultato della combinazione del movimento dell'aeromobile con la deflessione del raggio laser nella direzione ortogonale al movimento. La deflessione può essere effettuata con un'ottica mobile, cioè deviando il laser con specchi oscillanti o dispositivi simili e i sistemi così equipaggiati sono molto flessibili perché è possibile modificare facilmente molti parametri di funzionamento, come l'apertura angolare della scansione e il numero dei punti che la compongono. Questa scelta tecnica presenta anche alcuni aspetti negativi, come il fatto che la figura disegnata sul terreno, approssimativamente a forma di zeta, non sia regolare, e la possibilità che il movimento dell'apparato di scansione sia condizionato dalle accelerazioni che il volo dell'aereo provoca. Un metodo differente consiste nella duplicazione dei cammini ottici: chi produce lo strumento orienta e fissa una volta per tutte un certo numero di fibre ottiche lungo le quali l'unico raggio laser generato viene periodicamente smistato per mezzo di uno specchio rotante. Tali sistemi sono naturalmente insensibili alle sollecitazioni dinamiche, dunque il loro comportamento è stabile, e la figura che viene da essi disegnata sul terreno è estremamente regolare, essendo costituita da linee parallele, leggermente inclinate rispetto alla direzione di volo, lungo le quali i punti misurati sono equispaziati. Il principale difetto di tale soluzione è la scarsa flessibilità in quanto la geometria della presa è fissa e l'unico grado di libertà è l'altezza dell'aereo. Le misure effettuate dalle varie apparecchiature, GPS, INS, LRF e videocamera sono registrate indipendentemente durante il volo, ma, nel momento in cui vengono catturate, viene loro assegnata un'etichetta temporale riferita al tempo GPS, che consente di sincronizzare le varie informazioni nella successiva fase di elaborazione. I sistemi attualmente disponibili fanno uso di segnali con frequenze nell'infrarosso vicino, che hanno la proprietà di non essere assorbiti dal terreno, ma piuttosto riflessi. Tali frequenze vengono riflesse anche dalla vegetazione e dalla nubi, dunque gli scanner laser non possono operare in presenza di formazioni nuvolose situate fra l'aeromobile e il terreno; tuttavia essi hanno condizioni di operatività molto meno restrittive di quelle della fotogrammetria in quanto possono operare al buio, essendo attivi, e non sono influenzati dalle ombre, dunque possono lavorare in qualunque momento della giornata e in qualunque stagione dell'anno. Per queste ragioni gli ALSS potrebbe- 41

10 ro essere utili per fornire un supporto conoscitivo in tempo quasi reale durante la gestione di e- mergenze o catastrofi, come terremoti, frane o alluvioni. I segnali inviati sono sinusoidi modulate in ampiezza con impulsi di brevissima durata e solo un sistema fra quelli attualmente disponibili in Europa usa un tecnica basata su un segnale modulato con due messaggi sinusoidali aventi frequenza di 1 Mhz e 10 Mhz. L'uso dei raggi laser è dovuto alla loro bassa divergenza che li rende simili al concetto geometrico di linea, anche se in pratica i dispositivi considerati hanno, volutamente, un'impronta a terra di diametro compreso fra 30 centimetri e 1.5 metri. La larghezza finita dei raggi inviati può provocare riflessioni multiple, come quando un raggio incontra la chioma di un albero e una parte dell'energia del segnale viene riflessa, mentre la rimanente parte prosegue fino a terra, per essere anch'essa riflessa. Le riflessioni multiple sono un e- lemento di forza del sistema in quanto aumentano la probabilità che, anche su zone boscose, una frazione del raggio raggiunga il terreno e ne determini la quota. Si ritiene che gli altimetri laser abbiano una percentuale di penetrazione nella vegetazione non troppo fitta tra il 20 e il 50% (Ackermann, 1996). Per le stesse ragioni, la scansione laser si è dimostrata efficiente anche nel rilievo delle linee elettriche infatti, per la larghezza finita dei raggi e per il loro grande numero, la probabilità che un cavo elettrico intersechi un raggio è significativa. Capita a volte di leggere che i LRF bucano la vegetazione: questa espressione è accettabile solo se interpretata in modo non letterale, ma nel senso che essi hanno una elevata capacità di sfruttare ogni minimo varco nella chioma degli alberi per raggiungere il terreno e misurarne la quota. Le riflessioni multiple di uno stesso raggio arrivano al ricevitore in tempi differenti, dunque possono essere discriminate. Esistono ricevitori capaci di memorizzare fino a quattro echi diversi, mentre altri sistemi si limitano a misurare il primo e l'ultimo; altri ancora memorizzano il primo (First pulse mode) o l'ultimo (Last pulse mode), a seconda della modalità di funzionamento selezionata. Una gestione opportuna delle modalità di registrazione permette di rendere particolarmente efficiente la presa dei dati e la successiva elaborazione: dovendo occuparsi del rilevamento di un elettrodotto o della determinazione dell'altezza degli alberi di una foresta, è naturalmente consigliabile usare il First pulse mode. Se invece l'obiettivo fosse la misura del DTM in una zona boschiva, bisognerebbe scegliere la modalità Last pulse mode per avere nel DSM prodotto il maggior numero possibile di punti riflessi dal terreno. Per ottenere un buon DTM su una zona boscata non è sufficiente tuttavia effettuare le prese in modo adeguato, ma è necessaria anche una fase di filtraggio del DSM avente lo scopo di individuare i punti del terreno per distinguerli da quelli generati dalle foglie, certamente presenti; rimandiamo alla letteratura (Kraus, Pfeifer, 1998) per i dettagli su come si possa effettuare tale selezione, ma l'idea guida è di solito che i punti generati dal terreno sono una frazione consistente del totale e sono più bassi della media. Certamente la conoscenza della natura dei punti riflettenti aiuterebbe in tale lavoro, ma, in genere, gli ALSS non forniscono informazioni di tipo spettrale; tuttavia alcuni modelli sono capaci di registrare, insieme alla distanza, la riflettività del punto illuminato dal raggio e producono un'immagine che equivale, grosso modo, a una presa fotografica nell'infrarosso vicino. La gestione delle riflessioni multiple è possibile infine perché gli ALSS vengono progettati in modo che sia rispettata una condizione di non ambiguità: prima che il raggio (i+1)-esimo sia e- messo, è necessario che tutti gli echi del raggio i-esimo siano tornati al sensore. Se f è la frequenza di emissione dei segnali, ciò equivale a dire che il tempo di andata e ritorno, 2 hc, sia minore del periodo T = 1 f cioè 2h 1 c < h < c f 2 f Esiste un vincolo dunque che lega frequenza e altezza massima: se assegniamo a f il valore più alto oggi raggiunto (80 Khz per lo strumento TopoSys), possiamo concludere che l'aeromobile 42

11 non può superare la altezza di 1873 metri che, come vedremo, sarà sfiorata dallo strumento TopoSys di seconda generazione. La geometria delle prese caratterizza in modo determinante le prestazioni ottenibili dagli ALSS. E' noto come la generazione fotogrammetrica, manuale o automatica, del DTM incontri serie difficoltà sui boschi e sulle zone fittamente edificate perché è difficile, se non impossibile, vedere bene il terreno che si vorrebbe misurare, a causa delle occlusioni prospettiche. Tale problema è forte perché il semiangolo di apertura degli obiettivi è di circa 37 gradi e dunque larghe porzioni del modello sono viste in condizioni piuttosto lontane dalla nadiralità; inoltre è necessario che un punto da restituire sia visibile su due fotogrammi, il che complica ulteriormente la situazione. La scansione laser attenua fortemente il primo problema, perché quasi tutti gli ALSS hanno volutamente semiangoli di apertura minori di 20 gradi, ed elimina il secondo, perché il laser scanning è una tecnica monoscopica. 4.2 Il trattamento dei dati Purtroppo le varie ditte produttrici ed operatrici di sistemi per il laser scanning sono piuttosto restie a fornire dettagli tecnici sul funzionamento dei loro strumenti e dei programmi proprietari usati per l'elaborazione: noi siamo riusciti a raccogliere informazioni soddisfacenti solo sul sistema TopoSys e, in parte, sul sistema TopEye. Esporremo dunque le linee generali della procedura relativa a TopoSys e inseriremo, ove possibile, integrazioni relative alle procedure usate da altre ditte. Preliminare alla elaborazione è la calibrazione del sistema, da eseguire una sola volta dopo la sua installazione su un aeromobile. Essa ha lo scopo di determinare i parametri dell'orientamento relativo dei vari strumenti installati (GPS, INS, LRF) e richiede che la prima strisciata venga eseguita due volte, nei due sensi di marcia. Anche se la calibrazione è concettualmente il primo compito da eseguire, in pratica viene preceduta da una serie di operazioni aventi lo scopo di ricavare i raw-data dai dati registrati durante la missione perché l'orientamento relativo dei sensori viene portato a termine proprio sui raw-data. Si ricostruiscono anzitutto la traiettoria e l'assetto dell'aeromobile durante il volo, grazie alle misure GPS e INS: si tratta di un momento critico perché la bontà dei risultati finali dipende dalla qualità dei risultati ottenuti in questa fase. I problemi che si incontrano sono quelli tipici del GPS cinematico aerotrasportato e cioè, essenzialmente, i cycle slip durante le virate. Successivamente si determinano, strisciata per strisciata, le coordinate di tutti i punti che hanno dato un eco nel datum WGS-84, producendo i raw-data. Il calcolo è basato sulla conoscenza di posizione e assetto dell'aeromobile al tempo di emissione di un raggio: conoscendo l'angolo formato dal raggio con la verticale del mezzo e misurando la distanza fra il mezzo stesso e il punto riflettente, è possibile calcolare le coordinate del punto. Tutte queste operazioni sono possibili, come abbiamo già ricordato, perché tutte le misure registrate durante il volo hanno associata una etichetta temporale univoca che permette la loro sincronizzazione. La fase di calcolo appena descritta viene eseguita sempre, quando il sistema è già stato calibrato e quando non lo è ancora. Essa richiede, per essere portata a termine, la conoscenza dei parametri di orientamento del sistema e, se questi non sono ancora noti, vengono posti uguali a dei valori approssimati ragionevoli. A questo punto della sequenza viene eseguita la calibrazione, se è necessaria. Si considerano le due strisciate ottenute volando in direzioni opposte sulla stessa zona e si cercano oggetti ben i- dentificabili, come ad esempio case, perché, se i parametri di orientamento usati non fossero corretti, gli stessi oggetti verrebbero collocati in posizioni diverse nelle due strisciate; i parametri di orientamento vengono proprio determinati come quelli che eliminano tali errori. In realtà non vengono prese in considerazione solo le due strisciate di prova, ma tutte quelle del primo volo, in 43

12 quanto i parametri determinati vengono verificati in modo un po' casuale sulle zone di sovrapposizione delle varie strisciate, per maggiore sicurezza. Una volta determinati i parametri di orientamento corretti, i raw-data vengono calcolati di nuovo, strisciata per strisciata, e questo conclude la fase di orientamento dei sensori. La procedura di elaborazione procede a questo punto con la fusione delle strisciate. Si ritiene che, se l'orientamento dei sensori è stato ben eseguito, strisciate adiacenti siano necessariamente parallele, dunque la procedura di costruzione del blocco prevede unicamente la stima delle traslazioni da assegnare a ciascuna strisciata per renderla coerente con l'insieme. A questo punto il blocco può essere orientato nel datum WGS-84 sulla base di punti di appoggio. La fase successiva consiste nella conversione dei raw-data nel datum usato dall'utente e nella loro proiezione cartografica; essa presenta gli stessi problemi che si devono affrontare nella trasformazione di un rilievo GPS in un datum nazionale e cioè, in estrema sintesi, la necessità di conoscere un numero adeguato di punto doppi e le ondulazioni del geoide. Per finire, alcune ditte calcolano, sulla base dei dati così ottenuti, i valori di una griglia quadrata con lati paralleli agli assi cartografici. Vi sono filosofie differenti: se la Saab tende a consegnare ai clienti i raw-data nel datum WGS-84, la ditta TopoSys offre come prodotto di base il grigliato regolare con lato pari a 1 metro, riferito al sistema cartografico nazionale. La prima scelta ci sembra migliore se giudicata con occhi da ricercatori, ma costringe l'utente a effettuare operazioni che probabilmente gli sono ostiche, mentre la seconda è certamente preferibile per chi avesse bisogno di un prodotto finito. Per quanto riguarda la precisione, non ci risulta esistano ancora lavori scientifici sull'argomento, dunque le indicazioni di cui disponiamo sono fornite dai produttori degli strumenti: si ritiene che lo eqm per le tre coordinate vari da 10 a 30 centimetri in dipendenza dalla quota di volo, dal tipo di strumento, dal terreno sorvolato. A conclusione della descrizione delle procedure di elaborazione, sottolineiamo uno dei punti di forza degli ALSS, cioè l'alta automatizzazione delle procedure di restituzione: la Tabella 1 indica come indubbiamente il rilevamento laser di una zona richieda più tempo di un volo fotogrammetrico, tuttavia è possibile che il laser competa con la fotogrammetria anche sul piano economico, proprio grazie alla automatizzazione. 4.3 Rassegna degli strumenti attualmente disponibili in Europa La Tabella 1 riunisce le principali caratteristiche degli strumenti operanti al momento in Europa. Alcune caselle sono state lasciate vuote per mancanza di informazioni da parte del costruttore, inoltre le informazioni sulla larghezza della strisciata sono riferiti alla massima altezza di volo consentita, anche se niente vieta di operare ad altezze minori, con conseguente diminuzione proporzionale della larghezza; per finire, i valori fra parentesi nella colonna relativa a TopoSys si riferiscono allo strumento di seconda generazione, che dovrebbe essere operativo dai primi mesi del Si possono individuare due diverse tipologie di utilizzo del laser scanning: la prima è rappresentata dal rilevamento di qualità di regioni di estensione medio-grande, come la modellazione 3D semplificata di un'intera città, finalizzata alla progettazione di telefonia cellulare. La seconda ha a che fare con il rilevamento altamente dettagliato di piccole aree, come nel caso della modellazione 3D di un isolato per farne un modello di realtà virtuale: in tal caso è la flessibilità di utilizzo ad assumere un'importanza preponderante. Lo strumento TopoSys pare molto adatto al primo scenario, perché è capace di un'elevata densità di punti e perché ha una buona produttività, grazie alla elevata velocità operativa e alla capacità di effettuare strisciate piuttosto larghe nonostante il piccolo semiangolo di apertura, capacità che è dovuta alla notevole altezza massima di presa. Lo strumento TopEye è molto adatto invece al secondo contesto perché la capacità di restringere le strisciate fino a 21 metri e, essendo montato 44

13 su elicottero, può operare a 60 metri d'altezza e alla velocità di 10 m/sec; tutto ciò assicura una grande elasticità operativa e la possibilità di raggiungere elevatissime densità di punti, nonostante la frequenza delle misure non sia molto alta. Riteniamo essenziale un'osservazione sugli angoli di apertura: per avere una buona penetrazione nella vegetazione e poche occlusioni prospettiche sull'edificato, i LRF devono avere un piccolo angolo di apertura; scegliere valori piuttosto grandi di tale angolo per aumentare la produttività, come alcuni costruttori sembrano aver fatto, ha certamente un costo altissimo sul piano qualitativo. Sistema ALTM 1020 TopoSys TopEye ScaLARS FliMap Produttore Optech Canada TopoSys Germania Saab Svezia Università di Stoccarda Germania FUGRO Olanda Riflettività No No Si Si Si Lunghezza d'onda Tipo di modulazione Altezza massima 1047 nm 1535 nm 1064 nm 1064 nm Impulsi Impulsi Impulsi Continua Impulsi 1000 m 850 m (1600 m) 500 m 750 m 100 m Montato su Aereo Aereo Elicottero Aereo Elicottero Velocità aeromobile Frequenza punti Frequenza scansioni Semiangolo di apertura Larghezza strisciata 70 m/sec m/sec 5000 Hz Hz 6000 Hz 7000 Hz 8000 Hz 50 Hz 630 Hz (315 Hz) 40 Hz Fino a 20 7 Fino a /20 30 Fino a 700 m 230 m Fino a 168 m 70 m Tabella 1 - Caratteristiche degli strumenti attualmente disponibili in Europa. 4.4 I possibili utilizzi del laser scanning in Italia Probabilmente le immagini aeree e la cartografia prodotta con metodi fotogrammetrici hanno un potenziale informativo tuttora ineguagliato, tuttavia il laser scanning è capace di sopperire talvolta ad alcune lacune della fotogrammetria e sembra addirittura in grado di sostituirla se il prodotto da realizzare non è una cartografia vera e propria, ma qualcosa di più specifico. Si registra in questi anni un interesse crescente per i modelli tridimensionali degli edifici, che possono essere a bassa o ad alta fedeltà. Nei primi gli edifici sono descritti come prismi con basi parallele di forma arbitraria e questo tipo di modellazione viene utilizzata per la progettazione di reti di telefonia mobile. Il laser scanning è in grado di produrre direttamente tali modelli in quan- 45

14 to il DSM da esso prodotto è assimilabile a un modello tridimensionale semplificato; in questo caso dunque il laser scanning è idoneo a sostituire la tradizionale produzione fotogrammetrica. Per quanto riguarda invece i modelli ad alta fedeltà, essi richiedono che la forma degli edifici sia determinata in modo estremamente accurato e che successivamente vengano spalmati su di essa fotogrammi aerei e fotogrammi presi da terra, per realizzare dei veri e propri modelli di realtà virtuale, utili probabilmente per sofisticati studi di architettura. In questo contesto il laser scanning viene usato a bassissima quota, nella versione elitrasportata, per la determinazione della geometria degli edifici, e coopera con altre tecniche. Un settore in cui c'è grande spazio per l'integrazione fra fotogrammetria e altimetria laser è la produzione di DTM di alta qualità, per la capacità degli ALSS, già più volte richiamata, di bucare la vegetazione e per le difficoltà che invece incontra la fotogrammetria a restituire zone coperte da alberi. Osserviamo che molti dei problemi del territorio che si manifestano in Italia, come i- nondazioni e frane, richiederebbero, per essere ben gestiti, una cartografia aggiornata e anche una conoscenza dell'altimetria migliore di quella rilevabile con metodi fotogrammetrici: la scansione laser si configura quindi come complemento naturale della fotogrammetria nella produzione di cartografia a grande e media scala. E' probabile inoltre che si affermi l'uso di DTM ad alta risoluzione come supporto alla progettazione di grandi opere di ingegneria, come dighe, viadotti e ponti. Il laser scanning viene impiegato nel mondo in diversi altri modi, alcuni molto originali. Uno dei primi utilizzi è stato la determinazione e il monitoraggio dell'andamento altimetrico di ghiacciai, deserti, spiagge perché in tali ambienti è difficile definire punti di appoggio e anche perché sulle superfici troppo uniformi la restituzione fotogrammetrica è difficile. Si sta affermando il suo uso anche per il rilevamento di linee elettriche aeree. In altri casi il laser scanning viene impiegato per la valutazione dei danni di catastrofi come terremoti o uragani, per la rapidità di produzione e per la capacità di operare anche con condizioni meteorologiche non ideali ((Murakami e altri, 1998), (Hoover, 1998)). Non siamo a conoscenza di pubblicazioni italiane sul laser scanning, ma è attualmente in corso una sperimentazione effettuata dalla CGR di Parma con la collaborazione del Laboratorio di Geomatica dell'università di Pavia di cui l'articolo (Casella e altri, 1998) fornisce un primo resoconto. 4.5 Cenno ai possibili sviluppi futuri Il laser scanning è un interessante sensore integrato limitato, per il momento, al rilevamento della geometria del territorio: sarebbe interessante che acquisisse la capacità di produrre anche immagini in modo realmente integrato. Ci sembra ragionevole, in altri termini, prevedere la comparsa di sensori integrati capaci di produrre e orientare contemporaneamente immagini e modelli altimetrici, durante lo stesso volo. 5 La determinazione di DTM con tecniche di interferometria SAR Il RADAR (Radio Detection And Ranging) è uno strumento creato negli anni '30 e '40 basato, in estrema sintesi, sulla scansione di regioni dello spazio con segnali elettromagnetici i cui echi permettono di determinare la distanza degli ostacoli, in funzione del tempo di andata e ritorno, e la loro velocità relativa rispetto al RADAR, per effetto Doppler. Esistono molti tipi di RADAR, differenziati per scopo e tipo di radiazione elettromagnetica usata. Da qualche decennio sono note le potenzialità del RADAR come strumento per la conoscenza del territorio; essendo un sensore attivo, esso è in grado operare indifferentemente di giorno e di notte; una scelta opportuna della lunghezza d'onda assicura inoltre la capacità di penetrare le nubi: il RADAR può dunque operare con qualsiasi condizione atmosferica. Il tipo di RADAR più adatto 46

15 per la conoscenza del territorio è lo SLAR, Side Looking Aperture Radar, in cui una antenna è montata su un aereo o un satellite e illumina lateralmente il terreno sottostante. Figura 3 Schema di funzionamento di un SAR Con riferimento alla Figura 3, la regione approssimativamente rettangolare disegnata sul terreno corrisponde alla zona investita ad un certo istante dal segnale RADAR, detta anche impronta. La risoluzione nel senso ortogonale alla direzione di marcia dipende dalla capacità dal sensore di percepire come distinti echi separati temporalmente. La risoluzione nel senso di marcia, in gergo detta risoluzione in azimuth, dipende inversamente dalla lunghezza (o apertura) dell'antenna. Questo rappresenta un ostacolo per il raggiungimento di buone risoluzioni al suolo, perché non è facile montare su un aereo o un satellite antenne di grandi dimensioni. Fortunatamente C. A. Wiley intuì negli anni 50 che la risoluzione longitudinale può essere aumentata grazie all'effetto Doppler in quanto oggetti che si trovano nella stessa impronta, ma sono separati in azimuth, generano echi con una variazioni Doppler della frequenza diversi e dunque, tramite calcoli, possono essere percepiti dal RADAR come separati. Dunque la separazione ad opera dell'effetto Doppler aumenta la risoluzione in azimuth, come se il RADAR avesse un'apertura maggiore: ecco spiegata l'origine della terminologia "Radar ad apertura sintetica", che è la traduzione dell'inglese di: "Synthetic Aperture Radar", SAR. Tali sensori producono griglie bidimensionali che rappresentano l'immagine radar del territorio sorvolato, cioè la misura, pixel per pixel, della riflettività degli oggetti sottostanti rispetto alla particolare lunghezza d'onda impiegata dal sensore. L'uso di due immagini SAR dello stesso territorio generate da orbite differenti ne permette un uso in qualche modo fotogrammetrico: si parla in questo caso di interferometria SAR (InSAR o IFSAR) e il prodotto ottenuto è un DTM del territorio ripreso. 47

16 Figura 4 Schema della interferometria SAR. Per avere due immagini dello stesso territorio bisogna generalmente attendere che lo stesso satellite, dopo aver preso una immagine, passi nelle vicinanze per prendere l'altra, con i ben noti rischi che le due immagini siano diverse perché il territorio è cambiato fra i due passaggi. Per fare interferometria non è sufficiente usare le immagini SAR contenenti unicamente le intensità dei segnali di ritorno, ma sono necessarie le cosiddette immagini complesse in cui a ogni pixel vengono associati due valori corrispondenti a intensità e fase del segnale riflesso. Come avviene in altri contesti, ciò che si può facilmente misurare è la parte principale della fase, cioè la sua parte frazionaria, mentre serve la fase completa, cioè la somma della parte principale con l'ambiguità di fase, che è il numero intero di fasi che il segnale ha impiegato a percorrere la distanza satellite-oggetto. L'ambiguità di fase è incognita e la sua determinazione, detta phaseunwrapping, è il cuore dell'altimetria SAR. La interferometria SAR è molto giovane e non ancora del tutto affinata (Crippa, Crosetto, 1998a), tuttavia è considerata molto interessante e promettente per la possibilità che offre di generare DTM di grandi regioni con costi competitivi e precisioni interessanti. Si tratta di una tecnica molto complessa, in cui l'elaborazione successiva alla presa dei dati è imponente e determinante; essa ha anche alcuni punti deboli, come il fatto che i terreni con un'altimetria accidentata la mettono in grande difficoltà: rimandiamo alla letteratura specializzata citata in bibliografia per una esposizione più completa. Nonostante le difficoltà, il SAR ha già ora una notevole consistenza commerciale e esistono diversi satelliti per uso civile: le loro principali caratteristiche sono contenute nella Tabella 2. Per quanto riguarda le precisioni ottenibili, un recente lavoro di ricercatori italiani (Crippa, Crosetto, 1998b) ha stimato in circa 20 metri l'eqm in quota del DTM prodotto con dati ERS-1. Sono già operativi apparati SAR aerotrasportati come il sensore STAR-3i installato dalla compagnia canadese Intermap su un LearJet 36, che produce DTM con passo fino a 2.5 metri e una precisione in quota di 2 metri. Fra i suoi punti di forza vi è il fatto che disponga di due sensori SAR in modo che la generazione della coppia di immagini sia contemporanea. 48

17 Sistema ERS-1/2 Europa JERS-1 Giappone Radarsat Canada Altezza 785 Km 568 Km Km Lunghezza d'onda Dimensione antenna (Apertura X Altezza) 5.66 cm 23.5 cm 5.66 cm 10 X 1 m 11.9 X 2.4 m 15 X 1.5 m Larghezza strisciata 100 Km 75 Km 50, 100, 150, 500 Km Angolo di incidenza Massima risoluzione (Range X Azimuth) 12.5 X 12.5 m 7 X 7 m 10 X 10 m Tabella 2 Principali caratteristiche dei satelliti SAR per uso civile oggi disponibili 6 Conclusioni L'epoca attuale è certamente molto ricca di fermenti e novità. Essa è caratterizzata da molteplicità di soluzioni, in quanto esistono più modi per risolvere alcuni problemi, come la generazione del DTM. E' caratterizzata anche da una integrazione crescente fra i sensori e fra i prodotti dei vari sensori. Il GPS ad esempio svolge una funzione primaria di supporto nella gran parte delle tecniche prese in considerazione nella nota. Lo stesso GPS è sempre più spesso accoppiato a dispositivi inerziali e la loro unione sta avvicinando la tecnologia a due traguardi che sembravano semplicemente irraggiungibili: il rilevamento in tempo quasi reale e la misura diretta di posizione e assetto del veicolo (aereo, furgone o satellite) che sta effettuando la presa dei dati. E pensare che la strada dell'integrazione dei sensori sembra appena imboccata! Vi è crescente integrazione anche fra i diversi prodotti: immagini e cartografia, ma questo è già passato. Si fondono ad esempio DTM calcolati con immagini SPOT e DTM calcolati con tecniche di InSAR per attenuare i limiti di entrambe le metodologie. Le parole di moda oggi sono: mosaicking e data fusion. 7 Abbreviazioni e sigle INS: Inertial Navigation System, sistema di navigazione inerziale. Si tratta di un dispositivo sensibile alle forze e alle coppie a cui è sottoposto il veicolo sul quale è montato, e capace di determinare in ogni istante posizione e assetto del veicolo stesso. L'INS è composto da giroscopi e accelerometri e non ha bisogno di ricevere alcun segnale per poter funzionare, in quanto misura i- stante per istante (64 volte al secondo nella maggior parte dei casi) le sollecitazioni a cui il veicolo è sottoposto e calcola la posizione mediante una doppia integrazione rispetto al tempo. Purtroppo tale metodologia implica che l'errore commesso dall'ins cresca fortemente a partire dall'i- 49

18 stante in cui lo strumento è stato inizializzato, fino a rendere del tutto inutili le informazioni da esso fornite. Il fatto che un INS fornisca sempre un buon posizionamento relativo e, invece, un posizionamento assoluto che si degrada col tempo, rende conveniente l'integrazione fra INS e GPS la cui precisione è costante nel tempo, ma il cui funzionamento può interrompersi per brevi intervalli a causa dei cycle-slip; nel sistema integrato, il GPS aggiorna con una certa frequenza l'apparato INS e questo misura con grande precisione posizione e assetto fra un aggiornamento e l'altro. Va detto però che esistono molti livelli diversi di integrazione fra GPS e INS, la cui considerazione va al di là degli scopi della presente nota. LRF: Laser Range Finder: sinonimo di laser scanning aerotrasportato. ALSS: Airborne Laser Scanner System: un altro nome attribuito al laser scanning da aereo. ALTM: Airborne Laser Terrain Mapper. DSM: Digital Surface Model: modello digitale delle quote della superficie del territorio vista dall'alto, comprendente alberi, case e manufatti in genere. DTM: Digital Terrain Model: modello digitale delle quote di una superficie rappresentante la superficie del terreno idealmente prolungata al di sotto degli oggetti naturali (es. alberi) o artificiali (es. case) che si estendono in altimetria al di sopra della superficie di calpestio. MMV: Mobile Mapping Vehicle. SAR: Synthetic Aperture Radar. SLAR: Side Looking Aperture Radar. InSAR: Interferometric SAR. 8 Bibliografia 8.1 Immagini da satellite Sito della compagnia Earth Watch. Sito della compagnia Euromap. Sito della Indian Space Research Organization. Sito della compagnia Orbimage. Sito della compagnia Space Imaging. Sito ufficiale della compagnia russo-americana che vende le immagini russe prodotte dalle camere KVR-1000 e TK Sito ufficiale del sistema SPOT. Server on-line di immagini da satellite, principalmente fornite da Spin-2. La presenza di Bill Gates conferma che la vendita di immagini è diventata un business! Al-Rousan N., Petrie G. (1998) System calibration, geometric accuracy testing and validation of dem & orthoimage data extracted from spot stereopairs using commercially available image processing systems ISPRS Comm. IV Symposium "GIS Between visions and applications", Stoccarda, Germania 7-10 settembre 1998, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 32, Parte 4, pagg

19 Beck R. (1997) Satellite imagery from Earth Watch and Space Imaging GIM, Geomatics Info Magazine, Vol. 11, n. 5, maggio 1997, pagg Costas A., Florin S. (1998) Mapping potential of the IRS-1C pan satellite imagery ISPRS Comm. IV Symposium "GIS Between visions and applications", Stoccarda, Germania 7-10 settembre 1998, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 32, Parte 4, pagg Dorrer E., Maier W., Uffenkamp V. (1995) Analytical kinematic sensor orientation of MOMS-02 linear array stereo imagery In "Integrated sensor orientation", Ed. Colomina I., Navarro J. pagg , Wichmann Verlag, Heidelberg, Ebner H., Ohlhof T., Putz E. (1996) Orientation of MOMS-02/D2 and MOMS-2P imagery International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 31, Parte B3, pagg Ebner H. (1997) Digital photogrammetry within the MOMS-2P/PRIRODA mission In "Photogrammetric Week '97", Ed. Fritsch D., Hobbie D. pag. 83, Wichmann Verlag, Heidelberg, Fomtchenko M., Tchekalin V. (1997) Generation of DTM using russian space imagery GIM, Geomatics Info Magazine, Vol. 11, n. 3, marzo 1997, pagg Fritsch D., Kiefner M., Stallmann D., Hahn M. (1998) Improvement of the automatic MOMS02-P DTM reconstruction ISPRS Comm. IV Symposium "GIS Between visions and applications", Stoccarda, Germania 7-10 settembre 1998, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 32, Parte 4, pagg Galetto R. (1970) Programma di calcolo per l'orientamento esterno di un fotogramma panoramico Monografie scientifiche e tecniche di aeronautica, n. 31, Galetto R., Sacchi Landriani G. (1981) Ricostruzione metrica delle immagini rilevate da scanner su satellite Bollettino di Geodesia e Scienza Affini, Anno XL, n. 4, ottobre-novembredicembre 1981, pagg Galetto R. (1982) Simulazioni delle immagini riprese dallo scanner HRV del satellite SPOT Bollettino della Società italiana di topografia e fotogrammetria, n. 3-4, 1982, pagg Gerull D. (1997) Building, launching and operating an earth-imaging high-resolution satellite: the Earth Watch EarlyBird satellite evolution from design through launch to on-orbit operation In "Photogrammetric Week '97", Ed. Fritsch D., Hobbie D. pagg , Wichmann Verlag, Heidelberg, Guzzetti F., Trebeschi A. (1997) - Una metodologia di verifica della qualità metrica di immagini telerilevate Atti della I Conferenza ASITA, pagg , Parma Hanks A. (1997) Demand-driven markets for satellite imagery GIM, Geomatics Info Magazine, Vol. 11, n. 9, settembre 1997, pagg Kornus W., Lehner M., Blechinger F., Putz E. (1996) Geometric calibration of the stereoscopic CCD linescanner MOMS-2P International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 31, Parte B1, pagg Ohlhof T. Gill E., Montenbruck O. (1995) Integrating orbital constraints into MOMS-02 image orientation In "Integrated sensor orientation", Ed. Colomina I., Navarro J. pagg , Wichmann Verlag, Heidelberg, Sacchi Landriani G. (1981) Sull'uso di metodi stocastici per le correzioni geometriche di immagini da scanner Bollettino di Geodesia e Scienza Affini, Anno XL, n. 4, ottobre-novembre- 51

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