DOTTORATO DI RICERCA IN INFRASTRUTTURE E TRASPORTI SCHEDA PER L AMMISSIONE AL III ANNO DI CORSO

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1 DOTTORATO DI RICERCA IN INFRASTRUTTURE E TRASPORTI SCHEDA PER L AMMISSIONE AL III ANNO DI CORSO Dottorando Maria Vittoria Milone Ciclo XVII Curriculum Infrastrutture Tutor Valerio Baiocchi SEZIONE A Ricerca di Dottorato 1 Aggiornamento del programma logico e cronologico delle attività L attività di dottorato è stata incentrata sull'ottimizzazione delle tecniche di features extraction da immagini satellitari ad altissima risoluzione con tecnologie object-oriented comparate alle più tradizionali tecniche pixel-based.sono stati a tal proposito, in collaborazione con l Università degli studi di Perugia, messi a confronto i risultati ottenuti con i due differenti software commerciali ENVI ed ecognition e si sono testate le potenzialità di un plugin di classificazione presente nel software GiS open sources QGIS del qual è in studio la possibilità di sviluppo in collaborazione con la Fondazione Edmund Munch di Trento. Parallelamente è stata approfondita anche l'estrazione di DEM/DSM da stereocoppie satellitari e da cartografia vettoriale attraverso l'impiego dei più accreditati software che implementano gli algoritmi più diffusi(pci Geomatica 2012, ERDAS). Tali modelli contenenti informazioni altimetriche consentono infatti di completare le informazione desunte dalle differenti tipologie di classificazione, aumentando l'accuratezza complessiva del risultato ottenuto. Fino ad ora questa metodologia è stata testata in un'area recentemente colpita da un importante evento sismico, L'Aquila e i suoi dintorni, al fine di valutare la possibilità di individuare, attraverso tale metodologia, i crolli degli edifici (si intendono per crolli in tal caso i collassi di intere strutture o i cedimenti totali delle coperture e dei tetti in quanto gli unici visibili da immagini satellitari). Per le considerazioni preliminari inerenti le tecniche di estrazione di modelli digitali sono state utilizzate due stereocoppie EROS-B: una prima pseudo-sterocoppia relativa all'area del centro storico dell'aquila, ed una seconda effettiva stereocoppia ricoprente le aree di Onna e Paganica, nelle immediate vicinanze del capoluogo abruzzese. Ulteriori studi sono poi stati condotti, sempre al fine di testare l'estrazione di DSM, su immagini non sempre relative ad aree interessate da eventi sismici e provenienti da diverse piattaforme satellitari (ad esempio sono state condotte delle sperimentazioni su una sterocoppia PRISM di Pescara). Nella fase conclusiva di questo dottorato di ricerca è previsto l'approfondimento delle tecniche di classificazione ed in particolar modo lo studio della possibile implementazione di un plugin di classificazione object oriented in ambiente GIS open sources, sviluppandone alcune alcune funzionalità di base all'interno di QGIS. E stato inoltre approvato dall ESA un progetto di ricerca proposto dalla candidata e da alcuni docenti del Dipartimento che permetterà l accesso ad alcune immagini CosmoSkyMED della medesima area di studio al fine di testare le tecniche di per estrazione di informazioni metriche sia per l'individuazione degli edifici crollati e dei cambiamenti sopraggiunti a seguito degli eventi sismici.

2 2 Attività di ricerca realizzata nei primi due anni Nei primi due anni di attività di ricerca ricerca si è studiata, in primo luogo, la possibilità di ottimizzare le tecniche di estrazione di DEM/DSM da immagini satellitari a media ed alta risoluzione. Sono studiate, infatti, le potenzialità di differenti tipologie di dato (stereocoppie e triplette PRISM, stereocoppie e pseudostereocoppie EROS-B) e di diversi software tra i quali PCI Geomatics ed ERDAS che implementano due degli algoritmi scientifici più accreditati. Diverse campagne GPS sono state effettuate in modo da poter disporre di Ground Control Points per l'estrazione dei modelli e vari algoritmi sono stati testati per la rimozione della foschia e della copertura nuvolosa che caratterizzavano alcuni dei dati a disposizione. I vari modelli ottenuti sono stati di volta in volta validati tramite confronto con dati cartografici, con dati LIDAR e con dati da laser scanning terrestre appositamente acquisiti, in ambiente GIS. Per quanto riguarda invece la classificazione di immagini si sono studiate le potenzialità delle tecniche pixel-based e objectoriented implementate all'interno di due diversi software : Ecognition ed ENVI. Iniziato lo studio su alcune aree ristrette, l'analisi è stata progressivamente estesa, una volta ottimizzata la procedura, a pozioni di territorio più ampie, arrivando a testare i parametri individuati su aree molto più estese di quelle su cui lavora normalmente la comunità scientifica. La classificazione ha infatti alla fine interessato una intera immagine monoscopica WordView-2 relativa alla zona dell'aquila e delle sue immediate vicinanze. I risultati ottenuti sono stati tra loro comparati ed inoltre è stato effettuato un confronto, in ambiente GIS, con i dati vettoriali della cartografia ufficiale della regione Abruzzo al fine di valutare l'accuratezza ottenibile in termini di edifici, integri o collassati, effettivamente riconosciuti attraverso la classificazione. I risultati della classificazione sono inoltre stati incrociati con quelli ricavati da un confronto tra modelli digitali pre e post sisma al fine di valutare quanto le variazioni di quota più significativa tra prima e dopo il terremoto consentano di individuare i crolli degli edifici. Si è iniziato a testare la classificazione implementata in QGIS con l'intento di comprenderne i principi e svilupparne le potenzialità per il nostro obiettivo. Da tale attività è scaturita una richiesta di collaborazione da parte dell University College of London (UCL) con la quale è in sviluppo un attività di scambio che prevederà la presenza della candidata presso i loro laboratori e la presenza di alcuni ricercatori dell UCL presso il DICEA. Infine uno studio preliminare sulle immagini radar e sulle tecniche interferometriche ad esse applicabili, già da ora iniziato, consentirà, una volta che saranno a disposizione i dati richiesti, di testare anche questa ulteriore metodologia in contesti post-sismici. Contestualmente all attività strettamente connessa al tema di tesi, la candidata si è anche interessata di sviluppare altre tematiche tra cui: -lo studio dei sistemi geodetici storici per l inquadramento delle cartografie realizzate nei secoli XX XIX e XVIII per l estrazione di informazione geometricamente correte in collaborazione con il Centro studi per ROMA (CROMA) dell Università degli studi Roma3 e con l ISPRA -lo sviluppo delle tecniche Multiconstellation per il pretrattamento di dati GPS-GNSS -tecniche di estrazione di informazioni metriche da immagini acquisite da UAV in collaborazione e supporto con la collega Ing. Martina Mormile -realizzazione di una base geometricamente corretta da immagini satellitari World View 2 per l intero territorio del comune di Roma e per alcuni territori limitrofi in collaborazione con il Centro -studi per ROMA (CROMA) dell Università degli studi Roma3 -studio delle trasformazioni di coordinate così come implementate nella maggior parte dei software attualmente utilizzati in collaborazione con diverse Università nazionali ed europee

3 3 Esame delle problematiche emerse e degli aspetti critici Nel corso della ricerca fino ad ora effettuata sono emerse alcune difficoltà legate in particolar modo all'estrazione di modelli digitali da immagini caratterizzate da una intensa copertura nuvolosa. Sono state testate alcune funzionalità software basate su algoritmi noti in letteratura al fine di rimuovere tale problematica ma allo stato attuale i risultati non sono ancora ottimali. Inoltre sono in fase di approfondimento tutte le problematiche legate agli errori della classificazione che possonolimitare l affidabilità e la consistenza del riconoscimento automatico degli edifici crollati attraverso tale metodologia. Attraverso la sperimentazione di vari rule-set si sta cercando di arrivare ad una procedura standardizzata per lo scopo che si vuole raggiungere limitando i false-detection anche attraverso l'introduzione nella classificazione di informazioni altimetriche. Inoltre alcune difficoltà si sono incontrate nel funzionamento del plugin di classificazione Semi-Automatica di Qgis con i dati a nostra disposizione; vari tentativi hanno portato alla soluzione di tali problematiche anche se resta da sperimentare la possibilità di ampliarne le funzionalità introducendo approcci ola filosofia object-oriented anche in ambiente open-sources. 4 Potenzialità di conseguire un impatto scientifico significativo L impatto scientifico delle attività di dottorato fino ad ora svolte o da svolgere in questa fase conclusiva risiede nella possibilità di definire e validare le capacità di estrazione automatica di edifici collassati nell immediato post sisma: tale possibilità potrà rivelarsi di particolare importanza in scenari quali quello del sisma di Haiti sul quale è in progettazione un attività di studio in collaborazione con il Politecnico di Torino. Sebbene è necessario sottolineare che con tali metodologii possono essere identificati solo danni visibili dall esterno, senza possibilità di identificare danni strutturali interni anche dalle gravi conseguenze (situazione più volte ricorrente, ad esempio nella città dell Aquila), l attività di studio permetterà di delle sfruttare appieno le potenzialità delle immagini satellitari in difficili contesti post-sismici al fine di operare vantaggiosamente un early damage assessment per gli scopi di Protezione Civile. Importanti sviluppi futuri dipenderanno dalla sempre maggiore ottimizzazione dei vari algoritmi di classificazione nonchè dalla possibilità di estrarre informazioni altimetriche sempre più accurate sia prima che dopo gli eventi sismici al fine di pervenire alla definizione di una metodologia rapida e corretta per l individuazione degli edifici collassati. SEZIONE B Attività di collaborazione e supporto; formazione ed acquisizione di capacità evolute 1 Partecipazione alle attività di didattica presso la struttura di afferenza Correlatrice nelle tesi di Laurea: Magistrale sede di Roma: Sara Pozzato - Tecniche di estrazione di features lineari ed areali mediante approccio object-oriented - 18/01/ Relatore Prof. Valerio Baiocchi Magistrale sede di Latina: Antonio Ceglia - Progettazione di un database georiferito per la tutela ambientale a scala provinciale - 24/05/ Relatore Prof. Valerio Baiocchi Triennale sede di Latina: Roberta Ialongo - Uso di immagini satellitari ad alta risoluzione in uno scenario postsismico - 13/11/ Relatore Prof. Valerio Baiocchi

4 Angela Lancia - Algoritmi di georeferenzizione e rettificazione- 28/05/ Relatore Prof. Valerio Baiocchi Chiara Piccaro - Estrazione e validazione di DSM da stereocoppie EROS-B- novembre Relatore Prof. Valerio Baiocchi Tutor per i corsi di Topografia e Geomatica presso il polo distaccato (Latina) dell'università "La Sapienza" nell'anno accademico , Prof. Valerio Baiocchi Tutor per i corsi di Topografia e Geomatica presso il polo distaccato (Latina) dell'università "La Sapienza" nell'anno accademico , Prof. Valerio Baiocchi Tutor per il corso di Laboratorio di progettazione e gestione della sicurezza dell'università "La Sapienza", corso di Laurea Magistrale in Ingegneria della sicurezza nell'anno accademico , Prof. Valerio Baiocchi 2 Attività di formazione Corsi speciali Marzo CASPUR- Corso di "calcolo scientifico e tecnico in linguaggio C" corso di lingua inglese tecnica presso la Facoltà di Ingengeria dell Università La Sapienza Gennaio nd Advanced course on Radar Polarimetry, presso la sede di Frascati dell ESA Convegni e Workshop Novembre Parma (Italia) - 15 Conferenza Nazionale ASITA Dicembre Roma (Italia) - I ecognition Day Marzo Roma (Italia) - ACS on Campus Survey Maggio Mykonos (Grecia) - 32nd EARSeL Symposium Giugno Palermo (Italia) - Seminario SIFET: La Geomatica per il monitoraggio delle strutture e del territorio Giugno Cluj-Napoca (Romania) - International Symposium "Historical maps in Environmental Geosciences" Novembre 2012 Vicenza (Italia) - 16 Conferenza Nazionale ASITA Aprile 2013 Firenze (Italia) 2GG Geomatica Giugno 2013 Ho Chi Minh (Vietnam) ICCSA Settembre 2013 Edimburgo (Scozia) - ESA Living Planet Symposium 2013 Settembre Roma (Italia) Convegno SAFE Settembre Roma (Italia) 8th International Workshop_Digital Approaches to Cartograpic Heritage Settembre Roma (Italia) PCI Day Settembre Roma (Italia) II ecognition Day 3 Collaborazione a studi, ricerche, programmi strutturati progetto CosmoCoast sull impiego delle immagini CosmoSkyMed ( principal Investigator Prof. Valerio Baiocchi) finanziato dall Agenzia Spaziale Italiana (ASI) attività del progetto nazionale di ricerca Prin- COFIN 2008 per la ricerca dal titolo Le immagini satellitari ad alta risoluzione a supporto delle emergenze: modelli di orientamento e procedure di classificazione ed estrazione di elementi antropici (Responsabile Scientifico

5 dell Unità di Ricerca prof. Valerio Baiocchi, coordinatore scientifico nazionale Piero Boccardo del Politecnico di Torino Partecipazione in collaborazione con il professor Luca Rizzetto e l'ing. Martina Mormile al CosmoSkyMed Project per la distribuzione di immagini radar da utilizzare nell'ambito della ricerca. ALLEGATO I Schema di impostazione della Tesi finale di Dottorato e analisi delle attività di completamento

6 Capitolo 1 Tecniche di estrazione di Features con approcci pixel-beased e object-oriented I due differenti approcci; L'approccio pixel-based; L'approccio object-oriented; - La segmentazione; - L'impostazione dei parametri; - La classificazione; - La valutazione dei risultati Capitolo 2 Sperimentazioni sulle tecniche classificazione delle immagini satellitari ad alta risoluzione: descrizione e risultati Test effettuati sull'immagine WorldView2; Scelta del rule-set ottimale; Esportazione dei risultati della classificazione ed incrocio con i dati cartografici; Capitolo 3: Metodi di estrazione di DSM Estrazione di DEM/DSM da stereocoppie effettive e pseudo; Validazione dei DSM ottenuti in ambiente GIS: Capitolo 4 L'analisi di contesti sismici e l'utilizzo della metodologia combinata 3D-oject oriented Il caso di studio: il terremoto dell'aquila; Individuazione dei collassi attraverso la classificazione; Individuazione dei collassi mediante la valutazione di variazioni altimetriche prima e dopo il sisma. Valutazioni conclusive sulla metodologia. ALLEGATO II Pubblicazioni durante il dottorato

7 [1] Pietrantonio G. (2010), "Applicabilità dell'approccio 'Multiconstellation' in condizioni operative di rilievo GNSS" Atti della XIV Conferenza Nazionale Asita [2] D. Dominici, A. Gregori. M. Elaiopoulos, M.V. Milone, M. Mormile M.Alicandro. (2012) Innovative Methodologies For Structural Control Of Masonry Monumental Buildings Under Preservation Or Reconstruction Using Geomatic And Topographical Techniques in proceedings First International Conference on Architecture and Urban Design, Tirana, Albania, April 19-21, 2012 [3] Baiocchi V., Giannone F., Milone M.V., Mormile M., Pietrantonio G. (2012)," Innovative Methodology for GNSS Data Processing in proceedings FIG Working Week 2012 Knowing to manage the territory, protect the environment, evaluate the cultural heritage Rome, Italy, 6-10 May 2012 [4] Baiocchi V., Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012) DSM extraction from PRISM stereopairs and triplet in proceedings Conference '32nd EARSeL Symposium and 36th General Assembly [5] Baiocchi V., Del Frate F., Dominici D., Latini D., Lelo K., Minchella A., Milone M.V., Mormile M., Palazzo F., Remondiere S. (2012 ) Observing coastlines with satellite data: a casestudy in Abruzzo (Italy) in proceedings Conference '32nd EARSeL Symposium and 36th General Assembly [6]* Baglioni R., Baiocchi V., Dominici D, Milone M.V., Mormile M. (2013): "Historic cartography of L Aquila city as a support to the study of earthquake damaged buildings" Geographia Technica; p. 1-9, ISSN: [7]* Baiocchi V., Lelo K., Milone M.V., Mormile M. (2013) : " Accuracy of different georeferencing strategies on historical maps of Rome", Geographia Technica; p , ISSN: [8]* Baiocchi V., Lelo K., Milone M.V., Mormile M., Tanga E. (2013): "Knowing the past for managing the present: a comparison between historical cartography and satellite images for the study of Rome s city centre", Geographia Technica; p , ISSN: [9] Baiocchi V., Milone M.V., MORMILE M. (2012). "ALOS PRISM Stereopair and triplet for extraction of digital elevation model". In: Sentinel-2 Preparatory Symposium ESA-ESRIN, Frascati, Italy [10] Baiocchi Valerio, Milone Maria Vittoria, MORMILE M. (2012). PRISM TRIPLET AND STEREOPAIRS TO BUILD DIGITAL SURFACE MODELS. In: -. Frascati (RM), April 2012, Noordwijk: ESA European Space Agency, vol. 1, p. ---, ISBN/ISSN: [11] Baiocchi V, Lelo K., Milone M.V., Mormile M. (2012): Comparaison de méthodes de géoréférencement de plants anciens, Géomatique Expert, vol. 88; p , ISSN: [12] Baiocchi V, Lelo K., Milone M.V., Mormile M., Tanga E. (2012): Connaître le passé puor gérer le présent: une comparaison entre la cartographie historique et les images satellites du centre de Rome, Géomatique Expert, vol. 88; p , ISSN:

8 [13] Baiocchi V, Lelo K., Milone M.V., Mormile M. (2012): " Conoscere il passato per governare il presente:un confronto tra cartografia storica e moderna per lo studio del centro di Roma", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [14] Baiocchi V, Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012): " Estrazione di DSM da stereocoppie e triplette PRISM", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [15] Baiocchi V, Milone M.V., Mormile M. (2012): " Accuratezza e precisione di modelli di georeferenziazione applicati alle cartografie storiche", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [16] Baiocchi V., Ceglia A., Liso L., Milone M.V., Mormile M., Camuccio P. (2012): " Progettazione di database georiferito a scala provinciale per la tutela ambientale", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [17] Baiocchi V, Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012): " Estrazione della linea di riva istantanea da immagini satellitari ad alta risoluzione ottiche e radar", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [18] Baiocchi V., Brigante R., Dominici D., Milone M.V., Mormile M., Radicioni F. and Rosciano E. (2012): "Earthquake damage assessment using EROS B and Worldview II data: the example of L Aquila", in proceedings of MIMOS 2012, 9-11 Ottobre Roma [19] Baiocchi V., Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012): Extraction du trait instantané de côte à partir d images optiques satellites haute-résolution et radar, Géomatique Expert, vol. 89; p , ISSN: [20] Baiocchi V., Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012): Extraction de MNT à partir de paires ou triplets PRIMS, Géomatique Expert, vol. 89; p , ISSN: [21] Baiocchi V., Dominici D., Milone M.V., Mormile M. (2013): Experimentation of different techniques to extract DSM from EROS B imagery in a post seismic scenario in proceedings of 33rd EARSeL Symposium [22] * Baiocchi V., Dominici D., Milone M.V., Mormile M. (2013): Development of a software to plan UAVs stereoscopic flight: an application on post earthquake scenario in L Aquila city", Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 7974 LNCS (PART 4), pp [23]* Baiocchi V., Dominici D., Milone M.V., Mormile M. (2013): DSMs extraction methodologies from EROS-B pseudo-stereopairs, PRISM stereopairs in coastal and post-seismic areas, Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 7974 LNCS (PART 4), pp [24] Baiocchi V., Dominici D., Milone M.V., Mormile M. (2013): Improvement of different techniques for DSM extraction from EROS B stereopair of a post seismic scenario in proceeding of ESA Living Planet Symposium 2013

9 [25] Baiocchi V., Brigante R.,Dominici D., Milone M.V., Radicioni F.(2013): " Multispectral automatic feature extraction methodologies comparison" in proceedings of 33rd EARSeL Symposium [26] Baiocchi V., Lelo K., Milone M.V., Mormile M. (2013): Georeferencing historic cartographies: methods and accuracies evaluation in proceeding of 8th International Workshop_Digital Approaches to Cartograpic Heritage. * articoli indicizzati Scopus