Approccio down-sensing per l osservazione del territorio: dal satellite al drone Dott. Stefano Picchio

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1 Approccio down-sensing per l osservazione del territorio: dal satellite al drone Dott. Stefano Picchio

2 Piattaforme EO down-sensing Lo sviluppo dei moderni sistemi di Osservazione della Terra consente di avere a disposizione una completa gamma di strumenti per il monitoraggio del territorio, delle città e dell ambiente utilizzando la sensoristica più opportuna a seconda dei fenomeni da indagare. Il paradigma del lowcost è ormai pervasivo a tutte le piattaforme, dal satellite all aerofotogrammetria e al drone rendendo i dati accessibili anche alle organizzazioni medie e piccole.

3 Piattaforme e sensori EO Quali sono le piattaforme satellitari commerciali utili nel monitoraggio della vegetazione e del crop-mapping? Landsat 8 (Nasa) WorldView-2 (DigitalGlobe) RapidEye (BlackBridge) Quali sono le nuove piattaforme satellitari utili nel monitoraggio della vegetazione e del crop-mapping? WorldView-3 (DigitalGlobe) Sentinel-2 (Copernicus, ESA) ma prima bisogna dare uno sguardo alla firma spettrale e agli indici vegetativi...

4 FIRMA SPETTRALE BLU GRN RED N-IR M-IR FIRMA SPETTRALE La quantità di radiazione elettromagnetica riflessa (ma anche assorbita e emessa) da un oggetto è dipendente dalla sua composizione chimica, dallo stato fisico e dalla sua temperatura e varia al variare della lunghezza d'onda. Questa importante proprietà consente l'identificazione e la separazione degli oggetti osservati attraverso la loro FIRMA SPETTRALE. Misurando l energia riflessa dagli oggetti alle diverse lunghezze d onda è possibile costruire la loro curva o firma spettrale.

5 L INDICE NDVI Normalized Difference Vegetation Index La vegetazione ha riflettività molto elevata nell infrarosso vicino e bassa nel rosso (appare in toni di rosso nella composizione RGB a falsi colori) I diversi toni di rosso indicano differenti stati di salute della vegetazione legati all attività fotosintetica e alla copertura fogliare

6 L INDICE NDVI: Normalized Difference Vegetation Index L Indice di Vegetazione, nella sua formulazione come NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), sfrutta la diversa risposta della copertura vegetale alle bande spettrali del visibile (rosso) e del vicino infrarosso, e fornisce un valore numerico adimensionale, teoricamente compreso tra -1 e +1. Tale valore è stato dimostrato essere in stretta relazione con lo stato di salute della vegetazione, intesa come biomassa e area fogliare (Leaf Area Index), ed ai processi biochimici ad essa correlati (attività fotosintetica). La caratteristica del comportamento dei pigmenti delle foglie non sottoposte a stress è infatti quella di riflettere soltanto circa il 10% della radiazione ricevuta nella regione spettrale della luce visibile (rosso), ed allo stesso tempo di riflettere oltre il 40% di quella ricevuta nell infrarosso vicino. Nella mappe elaborate, valori bassi di NDVI si verificano in aree a bassa o assente copertura vegetale, o dove la vegetazione presente è senescente o sofferente, mentre gli alti valori dell indice rispecchiano una situazione di forte attività fotosintetica e in alcuni casi elevata presenza di biomassa.

7 LANDSAT 8 scene multitemporali LANDSAT 8 monta a bordo 2 strumenti: OLI (Operational Land Imager) e TIRS (Thermal Infrared Sensor), che garantiscono prestazioni e qualità di ripresa superiori al precedente ETM+, grazie anche ad un numero maggiore di bande, 11 contro le precedenti 8. In particolare sono state aggiunte due bande ottimizzate per lo studio dei cirri (1360/1380 nm) e dell aerosol ( nm) e il range nell infrarosso termico è stato suddiviso in due bande, a differenza dell unica banda dell ETM+.

8 WORLDVIEW-2 Il satellite WorldView2 è stato lanciato l 8 ottobre 2009 ed è gestito dalla società DigitalGlobe. E il primo satellite commerciale ad altissima risoluzione che acquisisce immagini multispettrali ad 8 bande con risoluzione di 1,8 metri oltre che immagini pancromatiche con risoluzione di 46 centimetri (commercializzate con la risoluzione di 50 cm nel pancromatico e 2 metri nel multispettrale). (Image Copyright DigitalGlobe)

9 WORLDVIEW-2 I sensori a bordo sono WV110 per il multi spettrale e WV60 per il pancromatico. La risoluzione radiometrica con cui viene discretizzato il segnale registrato dai sensori è di 11 bit (pari a 2048 livelli). In particolare WorldView-2 è il primo satellite commerciale ad alta risoluzione in grado di acquisire, accanto alle quattro tipiche bande Blu, Verde, Rosso ed Infrarosso Vicino, quattro ulteriori bande mulispettrali, "esclusive": la banda Coastal ( nm), utile per lo studio di aree costiere, grazie alle sue caratteristiche di penetrazione nell`acqua, e ideale per migliorare i risultati nei processi di correzione atmosferica; la banda Yellow ( nm): molto importante per rendere meglio i colori naturali delle immagini e per ottimizzare i processi di classificazione; la banda Red Edge ( nm): fondamentale per l`analisi approfondita delle condizioni di salute della vegetazione; la banda Near Infrared 2 ( nm): una seconda banda nell`infrarosso vicino, meno influenzata dalle condizioni atmosferiche, estremamente utile a supporto dell'analisi della vegetazione e delle biomasse. Secondo una stima delle aziende del settore EO, la presenza delle 4 bande aggiuntive garantisce un miglioramento nell`accuratezza delle classificazioni del 20-30%, rispetto ai tradizionali studi che utilizzano le 4 bande (Blu, Green, Red, Nir).

10 WORLDVIEW-2 Banda spettrale COASTAL Blue BLUE GREEN YELLOW Applicazioni L energia in questa lunghezza d onda è assorbita dalla clorofilla nelle piante sane. Utile negli studi batimetrici grazie alle sue caratteristiche di penetrazione nell`acqua. Sostanzialmente influenzata dallo scattering atmosferico ha quindi il potenziale per migliorare le tecniche di correzione atmosferica. Buona penetrazione nell acqua per studi di batimetria. Assorbita dalla clorofilla nelle piante. Meno influenzata dallo scattering e l assorbimento rispetto alla banda Coastal. Miglior funzionalità sul picco di riflettanza della vegetazione sana. Ideale per calcolare il vigore delle piante. Molto utile nel discriminare tra le tipologie di materiale vegetale se utilizzato in combinazione con la banda Yellow. Importante per il processo di classificazione. Rileva la componente gialla di alcuni tipi di vegetazione, sia a terra che in acqua.

11 WORLDVIEW-2 Banda spettrale RED RED-EDGE NIR-1 NIR-2 Applicazioni Maggiormente focalizzata sull'assorbimento della luce rossa dalla clorofilla nelle piante sane. Una delle più importanti bande per la discriminazione della vegetazione. Molto utile nel classificare i suoli nudi, le strade, e le caratteristiche geologiche. Molto utile per studiare la porzione di massima riflettività nella risposta della vegetazione. Fondamentale nel misurare la salute delle piante e di aiuto nella classificazione della vegetazione. Molto efficace per la stima del contenuto di umidità e della biomassa vegetale. Separa i corpi d acqua dalla vegetazione, identifica i tipi di vegetazione e discrimina anche tipi di suolo differenti. Si sovrappone per una parte alla banda NIR-1 ma è meno influenzata dagli effetti atmosferici. Consente di effettuare analisi più ampie negli studi della vegetazione e della biomassa.

12 RAPIDEYE La costellazione di cinque satelliti ad alta risoluzione in grado di garantire coperture multitemporali su vaste aree con tempi di rivisitazione giornalieri Tutti i satelliti della costellazione acquisiscono immagini alla risoluzione di 5 m, in 5 bande multispettrali: Blu nm Verde nm Rosso nm Red edge nm Infrarosso vicino nm Image Copyright BlackBridge Le immagini RapidEye sono state le prime a disporre della banda "red-edge" che, grazie alla sua capacità di individuare variazioni nel contenuto in clorofilla, è particolarmente indicata per l'analisi della vegetazione, per la sua classificazione e per la quantificazione di azoto nella biomassa.

13 WORLDVIEW-3 WorldView-3 è il primo satellite commerciale ad altissima risoluzione (31 cm) dotato di 26 bande super-spettrali e grandi capacità di acquisizione. Lanciato il 13 agosto 2014, WorldView-3 è il sesto satellite in orbita della DigitalGlobe, insieme a: Ikonos, QuickBird, WorldView-1, GeoEye-1 e WorldView-2. Caratteristiche WorldView-3 è in grado di acquisire immagini alla risoluzione di 31 cm pancromatica, 1,24 m multispettrale, 3,7 m nell infrarosso a onde corte e 30 m CAVIS (Clouds, Aerosols, Vapors, Ice, and Snow). A causa delle limitazioni imposte dalla legge le immagini, che saranno commercializzabili a partire da febbraio 2015, saranno fornite alla risoluzione di 40 cm. Con un tempo medio di rivisitazione inferiore a 1 giorno, WorldView-3 è in grado di acquisire fino a km² al giorno. Applicazioni nuove e per cui è particolarmente performante: Mapping - Land Classifications - Disaster Preparedness/Response - Feature Extraction/Change Detection - Soil/Vegetative Analysis - Geology: Oil & Gas, Mining - Environmental Monitoring Bathymetry/Coastal Applications - Identification of Man-made Materials

14 SENTINEL-2 Sentinel-2 un sistema di sensori ottici con visibile, vicino infrarosso e sensori a infrarossi ad onde corte che comprende 13 bande spettrali: 4 bande a 10 m, 6 bande a 20 m e 3 bande a 60 m di risoluzione spaziale. Lancio previsto aprile 2015

15 IL RITORNO DELLA FOTOGRAMMETRIA AEREA Sul versante dei dati acquisiti da piattaforme aeree fino a qualche anno fa il LiDAR era considerato il mezzo più vantaggioso, efficiente e rapido per fornire nuvole dense di punti 3D e modellare superfici e terreno in modo accurato. La tecnica fotogrammetrica appariva interattiva e laboriosa e non in grado di fornire gli stessi risultati. Recentemente, grazie a miglioramenti dei sensori ottici, a nuovi algoritmi di image matching e strumenti di calcolo più potenti, la fotogrammetria propone soluzioni automatiche per generare nuvole di punti 3D e modelli digitali della superficie (DSM) geometricamente paragonabili a quelli ottenuti con strumentazione attiva, anche per grandi aree. Saranno mostrati gli utilizzi di una recente acquisizione di immagini multispettrali e modelli 3D da piattaforma aerea sulla Provincia di Venezia.

16 IL RILIEVO DELLA PROVINCIA DI VENEZIA marzo e 1 aprile 2014 Il progetto ha previsto l impiego di una piattaforma aerea per il monitoraggio del territorio e dell ambiente con un volo dedicato per un rilievo aerofotogrammetrico con una copertura di 3000 Km 2 e pari indicativamente al territorio della Provincia di Venezia. La piattaforma aerea ha seguito un piano di volo di circa 40 strisciate ed ha acquisito più di 4000 immagini ad altissima risoluzione.

17 LA TECNOLOGIA Piattaforma e Sensoristica Il volo è stato eseguito con un velivolo tipo Cessna T303 che ha montato a bordo una camera UltraCam Xp che consente di acquisire sia immagini nel visibile che multispettrali. Modello stereoscopico e Dense Image Matching Grazie alle moderne tecnologie di elaborazione delle immagini sarà possibile ottenere un modello 3D delle aree rilevate attraverso la tecnica del Dense Image Matching. Tale modello ottenuto mediante programmi software dedicati per autocorrelazione di immagini stereoscopiche è ottenibile grazie alla notevole ricopertura dei fotogrammi lungo le strisciate e consente di ottenere un Modello Digitale tridimensionale per l intera estensione del territorio.

18 Ortofoto ad altissima risoluzione Le immagini sono state ortorettificate per restituire un mosaico ad altissima risoluzione pari a 15 cm per pixel a terra. Il grande dettaglio informativo contenuto nelle immagini consentirà ad esempio di valutare tutti gli elementi urbani come le coperture degli edifici, il verde urbano e quello privato, le pertinenze delle abitazioni, le infrastrutture, così come le aree di interesse naturalistico e le colture agricole. I PRODOTTI

19 ORTOFOTO AD ALTISSIMA RISOLUZIONE

20 3D DENSE CLOUD POINT (16 pt/m 2 )

21 3D DENSE CLOUD POINT (16 pt/m 2 )

22 Nuvola di punti 3D con tessitura RGB

23 I PRODOTTI Modelli Digitali 3D Saranno prodotti un DSM (Digital Surface Model) e un DTM (Digital Terrain Model) sull intero territorio. Il DSM è una superfice che esprime l altimetria complessiva di un dato territorio, compresi tutti i manufatti, gli edifici e le opere presenti. Il DTM mostra invece la morfologia del terreno nudo depurato dalle opere, le infrastrutture e la vegetazione presente. Tale modelli consentono di produrre visualizzazioni tematiche quali ad esempio: un modello delle superfici e delle volumetrie dell edificato urbano un modello per visualizzare la potenzialità energetica degli edifici con fonti rinnovabili visualizzare le aree potenzialmente allagabili a seguito di eventi meteorologici intensi visualizzare le aree impermeabili valutare il verde urbano, ecc.

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25 I PRODOTTI - DSM

26 IL MODELLO TRIDIMENSIONALE

27 LA CLASSIFICAZIONE TEMATICA

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29 Trasformazioni nell Uso del Suolo Il patrimonio informativo acquisito con il rilievo aereo consente di produrre un sistema di monitoraggio delle trasformazioni nell uso del suolo. L utente finale può esplorare i trend in serie temporale di dinamiche in atto quali ad esempio il grado di impermeabilizzazione del suolo, oppure la contrazione delle aree destinate all agricoltura a seguito dell urbanizzazione. GLI UTILIZZI

30 Energia & Città Il Modello Digitale del Territorio sarà utilizzato per restituire una serie di visualizzazioni tematiche sul tema energetico. Ad esempio è possibile produrre una classificazione energetica del territorio (ad esempio comunale) utilizzando dati dei consumi reali (come ad esempio l acqua, la luce o il gas). Gli oggetti potranno essere interrogati dall utente finale sia a livello di singolo edificio che per aree più estese. GLI UTILIZZI

31 GLI UTILIZZI Rischio e Sicurezza del territorio I modelli digitali prodotti saranno utilizzati per restituire il grado di esposizione del territorio al rischio idraulico e idrogeologico attraverso una serie di visualizzazioni tematiche come ad esempio le aree potenzialmente allagabili a seguito di eventi meteorologici intensi oppure la variabilità altimetrica del terreno.

32 Il contributo delle immagini multispettrali

33 Il contributo delle immagini multispettrali integrate ai dati tridimensionali

34 SCATTER PLOT e monitoraggio delle diversificazioni delle colture

35 Modelli 3D e analisi morfologiche

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37 ALCUNI ESEMPI DI IMMAGINI MULTISPETTRALI ACQUISITE SULLA PROVINCIA DI VENEZIA rilievo aereo del marzo e 1 aprile 2014

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69 PIATTAFORMA - UAV Negli ultimi anni gli RPAS (Remoted Piloted Air System) hanno avuto un rapido sviluppo e grazie alle ultime innovazioni tecnologiche, sono diventati sicuri, affidabili e di facile impiego.

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71 ORTOFOTO RGB DSM NDVI

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73 Drone ArtQuad Pesa meno di 500 grammi. Struttura in EPP (polipropilene espanso). Con telecamera Full Hd e fari d'illuminazione.

74 Drone ArtQuad Rilievo di un crocifisso ligneo nella chiesa di San Zaccaria, Venezia

75 PIATTAFORMA Carbon Shaft Asta telescopica per il rilievo speditivo di aree inaccessibili (fino a 15 mt di altezza)

76 PIATTAFORMA Carbon Shaft Asta telescopica (carbonio o VTR) Gimbal 3 assi stabilizzata Gopro remotabile Joystick per gimbal Monitor 5 con ricevente integrata

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79 GRAZIE PER L ATTENZIONE

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