Estrazione di DSM dell immediato post sisma dell Aquila da stereo coppie EROS-B Across track

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1 Estrazione di DSM dell immediato post sisma dell Aquila da stereo coppie EROS-B Across track Valerio Baiocchi, Donatella Dominici, Francesca Giannone

2 LE ORBITE Orbita polare eliosincrona Il satellite ritorna sullo stesso punto dopo un tempo T (qualche giorno), funzione della velocità e dell altezza, nelle medesime condizioni di ora solare. Orbita geostazionaria Ha inclinazione uguale a zero rispetto al piano equatoriale e ruota alla stessa velocità della Terra. Riprende sempre la stessa area.

3 Sensori pushbroom Si basano sul principio della scansione elettro-ottica, impiegando array lineari di elementi per l acquisizione, normalmente disposti ortogonalmente all orbita. L immagine si forma man mano che il satellite si sposta lungo la sua orbita Array lineare di CCD Satellite Direzione di moto del satellite Centro del sistema ottico (telescopio) Y Dimensione del pixel a terra Terra Linea immagine Linea immagine successiva dovuta al moto del satellite Inclinazione dell orbita Traccia a terra X Equatore Orbita del satellite

4 Ripresa coppie stereoscopiche: necessaria per creare modelli D Along-track Cross-track Flexible pointing Cross-track Copertura stereo fornita da due voli separati in due tracce adiacenti. Problema tempo di rivisitazione Along-track Stereocoppie acquisite con puntamento del sensore in direzioni avanti ed indietro durante un singolo volo. Flexible pointing Satellite in grado di puntare in ogni direzione che consente l acquisizione di immagini in direzioni cross-track, alongtrack o intermedia.

5 Satelliti ad alta risoluzione spaziale Satellite IKONOS II EROS A1 QuickBird-2 GeoEye (Space Imaging TM U.S.A) (ImageSat International TM - Israele) (Digital Globe TM - U.S.A.) Caratteristica Distanza T/S: 681 km 48 km 45 km 681 km Tempo di rivisit giorni giorni 1-.5 giorni 2- giorni Acquisizione sincrona asincrona sincrona sincrona Dimensione 11 km 1.5 km 16.5 km 15.2 km della scena: Risoluzione Geometrica (pan).82 (1) m 1.8 m.61 m.41 (.5) m Risoluzione Radiometrica Risoluzione Geometrica (MS) 11 bit 11 bit 11 bit 11 bit.2 (4) m m 1.65 m

6 Caratteristiche delle immagini EROS B utilizzate Due acquisizioni monoscopiche acquisite a distanza di sette giorni Angoli di off-nadir elevati (mediamente intorno a ), azimuth circa speculari (si ricordi che il satellite EROS B ha presa asincrona) Orario e quindi condizioni di insolazione quasi coincidenti Notevole copertura nuvolosa (>2%) ma in aree differenti

7 IMMAGINI SATELLITARI affette da DISTORSIONI GEOMETRICHE dipendenti da: 1. sistema d acquisizione (piattaforma e sensore): Dimensione pixel, orientamento e forma delle immagini: funzione della variazione di quota e di assetto del veicolo spaziale Spaziatura delle linee di scansione o linee sovrapposte/distaccate: funzione delle variazioni di velocità del satellite 2. mezzo attraversato e dalle caratteristiche della Terra: Spostamenti laterali nella direzione perpendicolare al moto tra le linee dell immagine in funzione della latitudine: funzione della rotazione terrestre Dimensione pixel: funzione della curvatura terrestre. sistema di proiezione cartografico adottato: Approssimazione del geoide ad un ellissoide di riferimento Proiezione dell ellissoide di riferimento su di un piano tangente NECESSITA DI CORREIONE GEOMETRICA DELLE IMMAGINI

8 Modelli di correzione delle distorsioni geometriche Creano una relazione tra le coordinate immagine (ξ, η) e le coordinate oggetto (X,Y,) Parametrici (fisici): rappresentano il processo fisico di formazione dell immagine Modello Integrato e Unificato parametrico (Toutin) Descrivono le relazioni fisiche di acquisizione dell immagine I parametri hanno significato fisico Non parametrici (empirici): non rappresentano il processo fisico di formazione immagine Funzioni polinomiali razionali D La trasformazione tra spazio immagine e spazio oggetto avviene attraverso funzioni generali indipendenti dalla piattaforma e dal tipo di sensore. I coefficienti non hanno significato fisico

9 Funzioni polinomiali razionali Sono indipendenti dalla piattaforma e dal sensore ),, ( ),, ( ),, ( ),, ( Y X p Y X p X Y d X Y c Y X p Y X p X Y b X Y a 4 k j i m i n j p k ijk k j i m i n j p k ijk 2 1 k j i m i n j p k ijk k j i m i n j p k ijk η ξ X, Y, coordinate terreno ξ, η coordinate immagine riga e colonna i, j, k incrementi di numeri interi m, n, p numeri interi generalmente compresi tra e m+n+p ordine delle funzioni polinomiali, generalmente a ijk,b ijk, c ijk ed ijk coefficienti dei polinomi (INCOGNITE) Polinomi del ordine

10 CLASSIFICAIONE Necessita di GCP (Ground Control Point) Punti dei quali si conoscono le coordinate sia nel sistema di riferimento esterno (X,Y,) (sistema OGGETTO o TERRENO) che nel sistema di riferimento interno (ξ, η) (sistema IMMAGINE) Vengono utilizzati per stimare i parametri incogniti che legano le coordinate oggetto alle coordinate immagine Metodo rigoroso: N GCP dipendente dal tipo di sensore (non inferiore a 1) RPC (1 ordine): 6 GCP RPC (2 ordine): 2 GCP RPC ( ordine): 47 GCP

11 Modello integrato parametrico (Toutin) Utilizza la equazioni di collinearità con una serie di correzioni per tener conto delle distorsioni presenti sull immagine r ξ ξ c r r η η c r ( X X ) + r21( Y Y ) + r1( ) ( X X ) + r ( Y Y ) + r ( ) 2 ( X X ) + r22( Y Y ) + r2( ) ( X X ) + r ( Y Y ) + r ( ) 2 Oi P (ξ,η) Spazio immagine Y X P (X,Y,) Spazio oggetto

12 Modello integrato parametrico (Toutin) P p y p (1+ δγx) - τh + H ΔT* X + θh/cos χ + αq (Q +θx H cos χ) QΔR y i x i S z i N X Tiene conto della rotazione e curvatura terrestre H Corregge la quota per effetto della curvatura della Terra H Quota relativa alla linea centrale dell immagine p, q Coordinate immagine αifov ΔT* e ΔR Variazioni non lineari dell assetto (ΔT* beccheggio/deriva; ΔR rollio) P, Q Fattori di scala in direzione Y e X τ tgχ Angolo in direzione Y χ Componente dell angolo d incidenza lungo la direzione della traccia del satellite θ tgω Angolo in direzione X ω Componente dell angolo d incidenza perpendicolare alla traccia del satellite y p X x p M r N E O Y

13 Correlazione automatica delle immagini Disponendo di una coppia stereoscopica (due immagini della stessa area riprese da due punti di vista differenti), l estrazione del modello digitale della superficie avviene: 1) individuando i punti omologhi (P e P ) sulle immagini di destra e sinistra 2) calcolando le coordinate oggetto (X,Y,) di tali punti in funzione delle coordinate immagine (ξ, η) O i P (ξ,η ) P (X,Y,) Oi P (ξ,η )

14 Ricerca di punti omologhi (Tie Points) tra immagini epipolari Le immagini epipolari sono delle stereocoppie riproiettate in modo che l immagine di sinistra e di destra abbiano un comune orientamento ed i loro punti omologhi giacciano lungo uno stesso asse. In questo modo lo spazio di ricerca del matching si riduce da un area ad una linea coppia di punti omologhi calcolo coordinata D mass point σ ( g1 g1 ) ( g2 g ) 12 2 Coefficiente di correlazione r g: valori di grigio dei pixel σ σ2 ( g1 g1 ) ( g2 g2 ) delle due immagini

15 Modelli digitali del terreno (DTM Digital Terrain Model) Descrizione numerica di una caratteristica del terreno (elevazione, pendenza, esposizione, densità di popolazione, ) Modelli digitali di elevazione (DEM Digital Elevation Model) DTM in cui la caratteristica rappresentata è l elevazione f(x,y) Modelli digitali di superficie (DSM Digital Surface Model) Descrizione numerica di tutto ciò che è presente sulla superficie (compresi edifici e vegetazione) P (X,Y,)

16 INDIVIDUAIONE EDIFICI Filtro di Sobel: Algoritmo di elaborazione delle immagini utilizzato per il riconoscimento dei contorni (edge detection) contorno discontinuità della funzione intensità (luminosità) picco del gradiente Immagine f(x,y) f/ x definisce la discontinutà nella direzione x f/ y definisce la discontinutà nella direzione y Trattandosi di immagini digitalizzate (i cui valori sono numeri discreti), sono state introdotte approssimazioni sia sulle derivate, le quali vengono approssimate tramite i loro rapporti incrementali, sia sull operazione di differenziazione che viene eseguita tramite convoluzione con due maschere

17 INDIVIDUAIONE EDIFICI Filtro di Sobel applicato alle immagini multispettrali: bordi molto più definiti Immagini filtrate utilizzate per l estrazione di un nuovo DSM miglioramento della correlazione Immagine originale Immagine filtrata

18 DSM del before event? Formati GIS più diffusi non permettono definizione veri oggetti d, quindi formati CAD Altri modelli per DSM ma non ne esiste uno universalmente accettato NeI modello con doppia breaklines il TIN definisce molto meglio la forma Nelle cartografie a media scala rapresentata solo il poligono di gronda, consegue necessità sw che interpoli la quota e modifichi i poligoni

19 Integrazione tra informazioni planimetriche ed altimetriche per l individuazione di edifici DSM DTM Differenza DSM-DTM Dalla differenziazione altimetrica tra il DSM satellitare e il DTM ottenuto dalla cartografia è possibile visualizzare tutto ciò che si trova sul terreno (vegetazione ed edifici)

20 Precedenti sperimentazioni sul sisma Umbro Change detection only DTM difference only Both Correctly detected Undetected False detection

21 Primi risultati 1/2

22 Primi risultati 2/2

23 Conclusioni e prospettive Vantaggi: Costi contenuti Rapida disponibilta Svantaggi: Risultati non omogenei su tutta l area Tempi attualmente molto lunghi di elaborazione, non compatibili con Early damage assessment Prospettive Sperimentazioni con altre pseudo stereo coppie Pretrattamento con filtri Sobel o simili Riduzione del taglio fotogrammetrico dell immagine

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