Introduzione CAPITOLO 1

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1 CAPITOLO 1 Introduzione Il termine Telerilevamento deriva dall unione della parola greca tele, ovvero da lontano e del termine rilevamento, che indica genericamente un processo di acquisizione di informazioni: quindi in senso esteso tale termine può essere utilizzato per qualunque metodo di osservazione effettuata a distanza dall oggetto di indagine. La definizione risulta evidentemente così generale da poter essere applicata alla maggior parte dei metodi di indagine scientifica. In un senso più ristretto, e nella sua accezione usuale, il termine telerilevamento viene utilizzato per indicare tutti i metodi di osservazione della Terra nei quali la radianza elettromagnetica costituisce il veicolo di trasporto dell informazione dall oggetto di indagine al sensore. In altre lingue per indicare tale insieme di metodologie di osservazione si adottano termini analoghi: in inglese Remote Sensing (percezione da lontano); in francese Teledetection (rilevazione da lontano); in tedesco Fernkundung (conoscenza da lontano). Cosa si intende per osservazione della Terra? In questo contesto si intende l osservazione dei diversi tipi di copertura della superficie terrestre. Tale osservazione contiene intrinsecamente due tipi di informazioni; vi è un contenuto qualitativo sulla tipologia di copertura: acque, boschi, minerali, terreno coltivato, terreno edificato ecc.; vi è anche un informazione geometrica, ovvero quella relativa alla posizione e ai contorni delle diverse qualità identificate. Le discipline collegate al telerilevamento vertono principalmente sull analisi qualitativa delle osservazioni, mentre l analisi delle loro caratteristiche geometriche è propria della disciplina della Fotogrammetria. Esiste un eccezione a tale affermazione, ed è quella del Synthetic Aperture Radar (SAR): tale metodologia viene infatti inserita nell ambito della disciplina del telerilevamento ma si pone come scopo uno specifico tipo di analisi geometrica. Per chiarire compiutamente il senso di tali definizioni è opportuno un breve excursus storico sull evoluzione delle diverse discipline concernenti l osservazione della Terra mediante sensori. Storicamente il primo sensore capace di utilizzare la radianza elettromagnetica (nella parte visibile dello spettro elettromagnetico) per raccogliere informazioni sulle caratteristiche del terreno è stata la camera fotografica; la sua prima applicazione da lontano avvenne a bordo di aerei per la produzione di carte topografiche. In tale applicazione, qualora si voglia ottenere la ricostruzione tridimensionale della forma del territorio, è necessario fotografare la medesima porzione del Cap1.p65 3

2 4 CAPITOLO 1 ISBN territorio da almeno due punti di presa diversi; sono inoltre necessari particolari metodi di analisi dei fotogrammi. Tali aspetti e studi sono propri della disciplina della Fotogrammetria. Oltre alle informazioni geometriche, i fotogrammi contengono informazioni qualitative, utili per la produzione di carte tematiche; si noti che, storicamente, tale produzione non poteva basarsi unicamente sull interpretazione dei fotogrammi ma richiedeva la disponibilità di informazioni ottenute da vicino, ovvero rilevate sul campo; si può peraltro affermare che la Fotointerpretazione, ovvero la disciplina riguardante l analisi e l interpretazione delle informazioni qualitative contenute nei fotogrammi, è a tutti gli effetti una fra le discipline che hanno posto le basi per il telerilevamento. Allo scopo di facilitare la produzione di carte tematiche si iniziò a effettuare riprese fotografiche aeree con film sensibili all infrarosso oppure applicando filtri sulle camere di ripresa in modo da osservare singole bande dello spettro visibile. Lo studio delle applicazioni delle fotografie da aereo allo spionaggio militare diede un ulteriore impulso al filone di ricerca che pose le basi per il telerilevamento. A ogni modo si può affermare che la nascita del telerilevamento moderno avvenne con il lancio del satellite Landsat 1, ovvero il 23 luglio 1972; dopo di questo vennero lanciati altri sei satelliti della stessa famiglia, fino al Landsat 7, messo in orbita il 15 aprile Oltre ai satelliti Landsat, di proprietà della NASA, il 22 febbraio 1986 iniziò la serie dei satelliti francesi SPOT; il prossimo di questa famiglia, lo SPOT 5, verrà lanciato nel Le caratteristiche peculiari dei dati telerilevati sono tre. 1. La disponibilità di immagini del territorio in formato digitale anziché, come è il caso dei fotogrammi, in formato analogico. Ogni immagine si compone di pixel, ciascuno dei quali corrisponde a un quadrato della superficie terrestre; in particolare per il sensore MSS (Landsat 1-5) le dimensioni del pixel sono circa di m, per il Thematic Mapper (Landsat 4, 5) e per il sensore ETM+ (Landsat 7) le dimensioni del pixel sono di m; per i sensori sui satelliti SPOT, HRV (Spot 1, 2 e 3) e HRVIR (SPOT 4), le dimensioni del pixel sono di m; in futuro sono previsti sensori a maggior risoluzione, ovvero capaci di produrre immagini i cui pixel abbiano dimensioni di 1 1 m. 2. La regolarità dei dati, nel tempo e nello spazio. Infatti ogni satellite per telerilevamento passa sul medesimo punto del pianeta con un periodo as- Cap1.p65 4

3 ISBN INTRODUZIONE 5 segnato e noto: in particolare il periodo è di 16 giorni per i satelliti Landsat 4, 5 e 7, di 18 giorni per Landsat 1, 2 e 3 e di 26 giorni per i satelliti SPOT (1, 2, 3 e 4). Dopo tale periodo caratteristico la traccia dell orbita del satellite sulla superficie terrestre ripercorre il cammino già effettuato. 3. L uso di immagini multispettrali. Ciò significa che, per ogni ripresa, sono disponibili più immagini contemporanee e relative alla stessa scena; però ciascuna immagine contiene osservazioni su una diversa banda dello spettro. Nel caso del MSS le bande disponibili sono 4; per ETM e ETM+ sono 7; nel caso dei sensori HRV sono 3 e per HIRVIR sono 4. Esistono inoltre, già allo stato attuale, sensori iperspettrali, ovvero in grado di lavorare su centinaia di bande: questi, sinora, sono stati applicati solo in riprese aeree ma, per il futuro, è previsto di farne utilizzo anche a bordo di satelliti. Sono infine allo studio sensori ultraspettrali, con ancora più bande rispetto a quelli iperspettrali. Si distingue fra telerilevamento passivo e telerilevamento attivo. Nel primo caso l energia elettromagnetica misurata dal sensore è quella originata dal Sole e quindi riflessa o emessa dalla Terra; nel secondo caso l energia elettromagnetica misurata è quella prodotta da un apparato a bordo del satellite o dell aereo e poi riflessa dalla Terra. Il caso del telerilevamento attivo è quello del radar, come per esempio il SAR o altri sistemi radar alloggiati a bordo di aerei. Nel caso dello SPOT i dati forniti da satelliti per telerilevamento vengono anche utilizzati per scopi fotogrammetrici: due immagini della medesima porzione del territorio registrate da punti diversi vengono analizzate congiuntamente per ricostruire le caratteristiche geometriche del territorio stesso. Si prevede che in futuro, con l avvento dei sensori ad alta risoluzione (ovvero con pixel di 1 1 m), la fotogrammetria mediante riprese da satellite soppianterà le metodologie basate su riprese da aereo. L obiettivo del presente libro è quello di far comprendere al lettore come sia possibile ricavare informazioni qualitative sulle regioni del pianeta a partire da dati telerilevati mediante sensori alloggiati su satellite. Si discuterà il caso dei dati forniti da satelliti perché questi sono facilmente disponibili a un costo ragionevolmente basso; si discuteranno inoltre solo i contenuti qualitativi delle immagini poiché, come già scritto all inizio del capitolo, riteniamo che l analisi delle informazioni geometriche sia argomento specifico della fotogrammetria, che si tratti di immagini da aereo o da satellite, analogiche o digitali. Si consideri inoltre che esistono differenti metodologie di telerilevamento (per esempio quello attivo e quello passivo), le quali forniscono prodotti fra loro differenti. Un singolo libro non sarebbe sufficiente per una trattazione completa e consistente di tutte le metodologie di analisi e di tutti i prodotti forniti dal telerilevamento: si è perciò optato di esporre i metodi del telerilevamento per analisi qualitative, maggiormente diffusi e più agevolmente fruibili sia dalla collettività scientifica sia dagli enti interessati al controllo del territorio. Tratteremo l applicazione dei dati telerilevati per l analisi sui tipi di copertura del suolo e per il monitoraggio del territorio nel tempo; riteniamo infatti che tali applicazioni abbiano importanza fondamentale poiché forniscono a basso costo un importante strumento di supporto per tutte le politiche di pianificazione ambientale. A tale riguardo si ricorda che, tradizionalmente, i dati telerilevati venivano utilizzati per la produzione di carte tematiche, che già fornivano un efficace strumento di analisi ambientale. L evoluzione e Cap1.p65 5

4 6 CAPITOLO 1 ISBN Figura 1-1 Il telerilevamento: illustrazione del processo di identificazione del tipo di copertura del suolo mediante la classificazione dei pixel in un immagine multispettrale. I diversi tipi di copertura del suolo, come per esempio l acqua (A), la vegetazione (V) o il suolo spoglio (S), riflettono percentuali differenti della radiazione incidente, a seconda della sua lunghezza d onda. La funzione di riflettività ρ(λ) fornisce la firma spettrale che caratterizza ogni particolare tipo di copertura del suolo (classe). Un sensore multispettrale a bordo di un satellite per telerilevamento registra un immagine multispettrale; questa si compone di differenti immagini riferite esattamente alla stessa scena della superficie terrestre: ciascuna di esse è relativa a una banda specifica dello spettro della radiazione e centrata su un valore medio di lunghezza d onda λ 1, λ 2, λ 3,..., λ B. I pixel di ciascuna classe hanno valori x 1 = ρ(λ 1 ), x 2 = ρ(λ 2 ), x 3 = ρ(λ 3 ),..., x B = ρ(λ B ): questi vengono considerati come coordinate della posizione del pixel in uno spazio astratto B-dimensionale, detto spazio multispettrale; i tipi di copertura del terreno vengono separati e identificati in funzione della regione dello spazio multispettrale occupata dai loro pixel. Nell esempio illustrato, riferito a tre bande (B = 3), le coordinate multispettrali per un pixel di acqua sono a 1, a 2, a 3, per uno di vegetazione v 1, v 2, v 3 e per uno di suolo s 1, s 2, s 3. Gli altri pixel della stessa classe hanno posizione prossima nello spazio multispettrale. Cap1.p65 6

5 ISBN INTRODUZIONE 7 soprattutto la diffusione dei Geographical Information System (GIS) permette oggi di inserire i dati telerilevati in sistemi complessi, ove essi si integrano con altre informazioni, provenienti da altre fonti, riguardanti il territorio: i dati telerilevati si sono dunque evoluti dalla funzione di semplice produzione cartografica al ruolo di informazioni numeriche e qualitative, concorrenti nei processi di monitoraggio e pianificazione ambientali. Il processo di deduzione di informazioni qualitative sul territorio a partire da immagini telerilevate richiede di applicare opportune metodologie di classificazione ai dati stessi. Cosa si intende per classificazione? Il principio di analisi è, a una prima lettura, molto semplice; ogni areola del territorio di dimensioni corrispondenti alla risoluzione del sensore è identificata nell immagine telerilevata da un pixel; per ciascun pixel sono registrati i valori numerici di riflettività del terreno, misurati per le diverse bande di acquisizione del sensore. I singoli pixel dell immagine vengono raggruppati in classi, in base a opportuni principi di similarità; alle diverse classi vengono infine attribuite le relative etichette ; ciò avviene mediante il confronto fra i valori di riflettività misurati per la classe e quelli noti a priori per diverse tipologie di copertura del suolo. In realtà però, nel processamento dei dati, si devono affrontare diverse problematiche, la più significativa delle quali è dovuta agli effetti atmosferici sulle osservazioni. Si ricorda infatti che l energia elettromagnetica riflessa ed emessa dal suolo attraversa l atmosfera terrestre; subisce quindi fenomeni di assorbimento e diffusione la cui entità varia nel tempo e nello spazio. Perciò l energia misurata dal sensore non coincide esattamente con la riflettività del terreno ma contiene termini non trascurabili di disturbo; si noti che tali disturbi assumono un comportamento quasi sistematico sulla singola immagine e quindi modificano in modo omogeneo i valori di tutti i suoi pixel rispetto a quelli di riferimento. Vi è inoltre da considerare l eterogeneità presente anche in zone omogenee del territorio, che comporta sulle immagini un effetto simile a un rumore di osservazione: per fare un esempio direttamente legato alla nostra percezione, ovvero nello spettro del visibile, si pensi alla variabilità del colore di un bosco. Quindi, per sintetizzare, i valori presenti nelle immagini si discostano sempre da quelli di riferimento e, anche all interno di zone omogenee, possono variare significativamente. I metodi di classificazione non possono quindi basarsi su criteri di confronto esatto fra i valori osservati e una libreria di valori di riferimento. Per la classificazione vengono invece analizzate le relazioni di prossimità fra i pixel dell immagine nello spazio multispettrale: il principio comune a tutti i metodi di classificazione è quello di unire in classi i pixel fra loro vicini e disgiungere quelli fra loro lontani. Non vi è comunque un metodo univoco per la classificazione poiché sono state proposte diverse nozioni di distanza nello spazio multispettrale: in tali nozioni assume ruolo fondamentale la statistica, che rappresenta lo strumento necessario per l analisi delle incertezze nei valori osservati. Si ricorda ancora che, nel nostro caso, tali incertezze sono associate alle variazioni effettive della riflettività dei pixel appartenenti alla medesima classe più che agli errori di misura. Nell esposizione degli argomenti gli autori hanno sempre cercato di fornire in modo sufficientemente completo le nozioni di base necessarie per la loro comprensione; quando tali nozioni rappresentano parte integrante del discorso sono state inserite nel relativo capitolo; in caso diverso sono state Cap1.p65 7

6 8 CAPITOLO 1 ISBN accorpate nelle appendici. Per la natura stessa del problema esposto è comunque opportuno che il lettore abbia già nozioni di base di statistica; è inoltre necessaria una ragionevole consuetudine con i metodi di calcolo per quantità scalari, vettoriali e matriciali. La disciplina del telerilevamento trae fonti e interagisce strettamente con diverse altre discipline; fra queste hanno ruolo fondamentale l Analisi di immagine e il Riconoscimento di forme. La prima fornisce al telerilevamento gli strumenti teorici e numerici per l elaborazione delle immagini telerilevate e per il loro miglioramento ai fini dell interpretazione visiva e della classificazione. Il riconoscimento di forme è viceversa la disciplina matematica e statistica che studia la classificazione di oggetti in base alle corrispondenze esistenti fra gli oggetti stessi e insiemi di valori numerici: la classificazione delle immagini telerilevate costituisce dunque un applicazione della teoria generale del riconoscimento di forme. L osservabile di base del telerilevamento è l energia elettromagnetica riflessa dal suolo e incidente sul sensore. Il libro inizia quindi con un capitolo nel quale vengono esposte le definizioni fondamentali di radiazione elettromagnetica e le leggi che ne governano l emissione e la riflessione da parte di corpi, necessarie per la comprensione dei dati telerilevati. Viene quindi introdotto il concetto di spettro della radiazione e di firma spettrale dei corpi riflettenti. Lo studio dello spettro della radiazione elettromagnetica richiede inoltre l utilizzo dei metodi di analisi mediante sviluppo di Fourier e alcune nozioni relative alla teoria dei segnali: tali nozioni vengono sinteticamente esposte nell Appendice A. I sensori alloggiati a bordo di satelliti artificiali costituiscono gli strumenti principali per l osservazione di dati telerilevati. Il Capitolo 3 riporta quindi un elenco dei sensori utilizzati nelle diverse missioni per telerilevamento e, ovviamente, una descrizione delle loro caratteristiche principali. Vengono inoltre illustrati i formati dei dati e i metodi di visualizzazione delle immagini digitali. Abbiamo infine ritenuto opportuno fornire al lettore una spiegazione sintetica ma completa sulle caratteristiche orbitali delle missioni di telerilevamento e sui criteri adottati per la loro progettazione; tali informazioni sono contenute nell Appendice D. La forma geometrica di un immagine, analogica o digitale, relativa a una porzione del territorio dipende sempre dal punto di presa e dal metodo di acquisizione dell immagine stessa. Un passo necessario nell analisi di im- Cap1.p65 8

7 ISBN INTRODUZIONE 9 magini telerilevate consiste nel passaggio di ciascuna immagine a un sistema di proiezione cartografica assunto come riferimento: tale processo prende il nome di registrazione dell immagine su una carta. Si noti che, in alternativa, per alcune applicazioni, può essere necessario effettuare una registrazione su un altra immagine. Tutte le problematiche relative alla registrazione di immagini, nota anche come correzione geometrica, vengono descritte nel Capitolo 4. I valori osservati per i pixel di un immagine telerilevata dipendono significativamente dagli effetti dell atmosfera; inoltre sono funzione di alcuni parametri di calibrazione del sensore utilizzato per l acquisizione. I nostri scopi sono l interpretazione e la classificazione delle caratteristiche del suolo a partire dalle immagini; per eliminare o quantomeno minimizzare gli altri fattori è perciò necessario, prima di qualunque analisi, effettuare opportune correzioni sui dati. Nel Capitolo 5 vengono descritti gli effetti atmosferici e quelli dovuti alla calibrazione dei sensori; vengono quindi spiegate le diverse metodologie per la loro correzione, con particolare riguardo ai numerosi problemi ancora irrisolti. I tre capitoli seguenti espongono alcuni metodi tipici dell analisi di immagine, come vengono applicati separatamente a ogni banda delle immagini multispettrali telerilevate. In particolare il Capitolo 6 tratta i metodi di trasformazione di immagini basati sull analisi statistica dei valori dei pixel, senza relazione alla loro posizione nell immagine. A tale capitolo è collegata l Appendice B, che contiene nozioni di base sulla statistica delle immagini; si ricorda comunque che tale appendice è di utilità generale anche per i capitoli successivi. I Capitoli 7 e 8 spiegano viceversa i metodi di trasformazione delle immagini basati sulla posizione geometrica dei pixel nell immagine stessa. In particolare il Capitolo 7 illustra i metodi di filtraggio mediante finestre mobili: questi sono basati su principi di interpolazione locale, che vengono descritti nell Appendice C. Nel Capitolo 8 vengono invece definiti i metodi di filtraggio basati sulla trasformata di Fourier, che servono per trasformare l immagine in modo da enfatizzare o ridurre componenti assegnate del suo spettro. I Capitoli 9, 10 e 11 trattano i metodi di trasformazione multispettrale delle immagini telerilevate. Il primo insieme di metodi, presentato nel Capitolo 9, si basa sull applicazione di operatori algebrici ai valori registrati per ciascun pixel nelle diverse bande dell immagine originale; tali trasformazioni algebriche trovano applicazione soprattutto nell analisi delle caratteristiche di vegetazione del territorio. Nei due capitoli successivi vengono illustrati i metodi di trasformazione dei valori dei pixel che sono basati su rotazioni nello spazio multispettrale: le bande originarie vengono cioè trasformate in altrettante pseudobande. In particolare il metodo per Componenti principali (Capitolo 10) adotta per la trasformazione il principio di decorrelazione delle bande; inoltre è strutturato in modo tale che le nuove bande siano ordinate con varianza decrescente. Il metodo del Tasseled Cap (Capitolo 11) si basa su una rotazione al termine della quale i nuovi assi (bande) e i nuovi piani (coppie di bande) dello spazio multispettrale sono posti lungo direzioni legate a specifiche caratteristiche fisiche del suolo e della vegetazione. Gli ultimi quattro capitoli trattano infine il problema della classificazione delle immagini telerilevate. Il Capitolo 12 costituisce un introduzione generale alla classificazione che, nel caso del telerilevamento, è principalmente di Cap1.p65 9

8 10 CAPITOLO 1 ISBN tipo relativo; nel capitolo tale metodo viene confrontato con il metodo di classificazione assoluta, per il quale si illustrano le principali problematiche che ne impediscono l applicazione ai dati telerilevati. Nel Capitolo 13 vengono introdotti e discussi i concetti fondamentali (funzioni di decisione e loro applicazione alla classificazione) del riconoscimento di forme; viene inoltre discusso il concetto di funzione di distanza nella classificazione. Ricordiamo che esistono due approcci generali alla classificazione: i metodi di tipo supervisionato e quelli di tipo non supervisionato. I primi si basano sulla conoscenza a priori delle classi di appartenenza per alcuni pixel dell immagine da classificare, mentre gli altri non richiedono tale tipo di informazione. Il Capitolo 14 tratta i metodi di classificazione non supervisionata e il corrispondente concetto di clusterizzazione; sono inoltre illustrati i due algoritmi di classificazione non supervisionata maggiormente utilizzati nell analisi di immagini telerilevate: l algoritmo K-means e l algoritmo ISODATA. Il Capitolo 15 illustra innanzitutto le caratteristiche dei diversi metodi di classificazione supervisionata. Quindi, a partire dal concetto generale di classificazione bayesiana, si dimostra come i metodi di classificazione supervisionata rappresentino casi particolari del metodo bayesiano, dal quale sono derivati mediante semplificazioni successive. Nel Capitolo 16 vengono presentati i nuovi sviluppi legati all applicazione dei metodi di intelligenza artificiale per la classificazione automatica delle immagini telerilevate. Il processo centrale di tali metodi è l addestramento ovvero la capacità dell algoritmo di addestrarsi (ovvero modificarsi autonomamente) in base alla conoscenza dei valori di un certo numero di pixel di classe nota. In particolare vengono descritti sinteticamente i metodi legati all utilizzo di reti neurali artificiali. Gli scopi primari del testo sono quelli di fornire una descrizione e una discussione dei principi del telerilevamento, delle fonti dei dati, dei metodi di analisi delle immagini telerilevate e delle relative problematiche: a tale compito vuole assolvere la parte cartacea del presente volume. Si voleva però fornire anche un compendio applicativo ed esemplificativo alla discussione formale delle problematiche del telerilevamento. A tale compito è dedicato il CD ROM allegato al libro. Si è adottato come esempio di applicativo per la lettura, la visualizzazione e l analisi di dati telerilevati il programma ENVI 3.2. Il CD si compone di due parti. Nella prima vengono illustrati il significato e l utilizzo dei diversi tool presenti in ENVI. Per i comandi più semplici, o per quelli di uso meno frequente, è fornita la pura descrizione; viceversa i più complessi e quelli maggiormente utilizzati sono descritti passo a passo. La seconda parte del CD è suddivisa come i capitoli del libro: per ogni argomento trattato vengono forniti numerosi esempi, ovvero i risultati ottenuti dall applicazione dei relativi comandi di ENVI. Evidentemente, in tale contesto, si pone particolare attenzione ai metodi di maggior interesse per l utente finale, ovvero ai metodi di visualizzazione, analisi e classificazione delle immagini telerilevate. Mancano esempi di applicazione delle reti neurali: questi non erano infatti implementati in ENVI 3.2; sono però presenti nelle nuove versioni del programma e saranno quindi presentati nella prossima edizione del libro. Cap1.p65 10