AT2 UTILIZZO DEI DATI AD ALTISSIMA RISOLUZIONE IKONOS PER APPLICAZIONI A PICCOLA SCALA

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1 Regione Marche Regione Durazzo - Albania Iniziativa Comunitaria INTERREG IIIA P R O G E T T O A N C O N A P A C O P R O G E T T O A N C O N A P A C O AT2 UTILIZZO DEI DATI AD ALTISSIMA RISOLUZIONE IKONOS PER APPLICAZIONI A PICCOLA SCALA ATI CAIRE-Urbanistica - Consulenza & Progetto 57

2 Introduzione Questo documento illustra le attività sviluppate per il progetto ANCONAPACO sull'utilizzo dei dati ad altissima risoluzione acquisiti da satellite, per applicazioni a piccola scala (1:5000-1:10.000). Negli ultimi anni infatti le tecniche di ripresa satellitare ci consentono di acquisire numerosi dati della superficie terrestre, con una determinata frequenza temporale (15-20 giorni), con determinate risoluzioni spaziali ( metri). Attraverso l'elaborazione automatica dei dati digitali, unitamente all'utilizzo dei sistemi GIS, si sono sviluppate numerose applicazioni in molti settori come l'agricoltura e le foreste, la cartografia tematica, la topografia e la cartografia tecnica. In questo caso di studio sono stati analizzati i dati del satellite IKONOS (pancromatico e multispettrale), per capire le reali potenzialità nell'utilizzo del dato per alcune applicazioni. In generale le possibili applicazioni possono essere riassunte nelle seguenti: Georeferenziazione di precisione Aggiornamento della cartografia tecnica Realizzazione della cartografia Uso-suolo Applicazione nel settore agricolo per il controllo delle colture arboree (Catasto Vite e Olivo) Applicazione nel settore forestale per il controllo dei danni subiti alla copertura forestale a causa di incendi ed attacchi parassitari (realizzazione di un catasto forestale) Controllo sulle tagliate dei cedui (corretta matricinatura) Programmazione territoriale Specifiche tecniche del satellite Il satellite IKONOS, lanciato il 24 settembre 1999, è stato il primo satellite commerciale capace di acquisire immagini ad alta risoluzione spaziale (1 metro). Il suo nome deriva dalla parola Greca "EIKONA" che significa appunto immagine. Questo satellite di nuova generazione, è in grado di acquisire immagini ad altissima risoluzione in due principali modalità: pancromatica e multispettrale. Nel primo caso la risoluzione è massima ed è pari a 1 metro, mentre nel caso multispettrale la risoluzione e circa 4 metri. Nella tabella 1 sono riportate le caratteristiche radiometriche e geometriche del sensore. Il satellite è di tipo eliosincrono, è posto ad una quota di 680 Km, per completare un'orbita impiega 98 minuti. La stessa orbita viene ripercorsa dopo 140 giorni. Considerato la capacità di acquisire immagini con angoli di vista non nadirali, il tempo di rivisitazione della stessa area può essere anche di pochi giorni. 17

3 Banda Banda spettrale () Risoluzion e a terra Range dinamico Pancromatico metro 11 bit (2048) Blu metri 11 bit (2048) Verde metri 11 bit (2048) Rosso metri 11 bit (2048) Vicino Infrarosso metri 11 bit (2048) In base allo "swath" del sensore ogni scena risulta di 11 km di ampiezza (con riprese verticali), con la possibilità di registrazione continua per 100 km di lunghezza. I prodotti standard prevedono comunque scene tagliate su quadrati di 10 km di lato. Le stazioni riceventi sono dotate di strumentazioni software per il preprocessamento dei dati per la fornitura agli utenti finali di una serie di prodotti standard. Il primo livello di prodotto consiste nella fornitura del dato grezzo elaborato solamente per le consuete correzioni di sistema, mentre l'ultimo livello di prodotto consiste nell'immagine corretta geometricamente ad altissima precisione attraverso l'utilizzo di parametri orbitali e modello digitale del terreno. La variazione del prezzo è legata ovviamente alle elaborazioni effettuate e comunque fra il primo livello e l'ultimo esiste un rapporto di circa 2/10. 18

4 GEOREFERENZIAZIONE DI PRECISIONE Dati satellitari utilizzati Per lo studio sono stati utilizzati i dati del sensore IKONOS2 acquisiti in date diverse nel periodo autunnale del 2005 e nel periodo primaverile del Area di studio riportante le scene acquisite Le immagini che sono state ordinate riguardano sia il multispettrale sia il pancromatico secondo le specifiche del primo livello, con le sole correzioni di sistema. Il primo livello di prodotto prevede comunque una correzione geometrica non di precisione e dunque le immagini vengono georiferite secondo la proiezione UTM zona Nord fuso 33 con l'ellissoide WGS84. 19

5 Il livello di precisione della correzione standard, ci consente solamente una sommaria sovrapposizione delle immagini con una cartografia topografica di riferimento. Distorsioni geometriche L'immagine risulta fortemente deformata in modo molto simile alle riprese fotografiche aeree. In questo caso dunque risulta necessario ortocorreggere l'immagine attraverso l'utilizzo del modello digitale del terreno (DEM). Una correzione di precisione fa ricorso normalmente al modello orbitale e ai parametri di assetto del satellite che purtroppo non vengono distribuiti con l'acquisto della scena. In questo caso abbiamo realizzato una procedura empirica di correzione geometrica con l'utilizzo di ground control points (GCPs) unitamente al DEM, che ci consente di ottenere una correzione geometrica con un errore inferiore a 4 metri (errore simile a quello presente nei prodotti di ultimo livello). Fig. 2 Descrizione della geometria di acquisizione del sensore (visione nadirale ed inclinata) Se consideriamo la geometria di acquisizione di immagini riprese da un satellite è possibile evidenziare i fattori che maggiormente influiscono sull'errore di posizione di ogni singolo pixel in funzione di alcuni fattori. Facendo riferimento alla figura 2 è possibile evidenziare la geometria di acquisizione generica di un punto sulla superficie terrestre e il suo errore di posizione. Risulta intuibile che l'errore di posizione ( + x ) sia determinato come funzione dei seguenti parametri: altezza del sensore, altezza del punto sulla superficie terrestre, distanza del punto rispetto alla traccia sub-satellite e angolo di vista del satellite. Quando l'angolo di vista del satellite è uguale a zero (vista nadirale), la componente di errore di posizione è costituito solamente dal termine. In figura 2 viene riportata schematicamente la geometria di acquisizione di un punto sulla superficie terrestre T ripreso da un sensore con ripresa nadirale A e con angolo di vista maggiore di zero. 20

6 La posizione reale del punto T eventualmente riportato su una mappa topografica dovrebbe essere T'O, mentre la ripresa satellitare sposta artificiosamente il punto T in D e B in dipendenza dell'angolo di acquisizione. Nel caso di ripresa nadirale (a = 0), e è facilmente ricavabile e risulta: T ' O AO ε = AO TT ' Dove: AO è l'altezza del satellite Hs (dato conosciuto) TT' è l'altezza del punto della superficie terrestre Ht (dato ricavabile dal DEM) T'O è la distanza del punto dalla traccia sub-satellite Considerando una ripresa nadirale l'errore di posizione risulta molto più contenuto e dipende esclusivamente dalla quota del punto, dell'altezza del satellite e dalla distanza del punto dal centro scena (vedi fig.3) Errore (m) Errore di posizione Distanza dal centro scena (m) 100 mt 300 mt 600 mt 1200 mt Fig 3 Grafico riportante l'errore di posizione in funzione della distanza dal centro scena per varie altezze del terreno per angoli di vista nadirali. Nel caso in cui il sensore riprenda la scena con un angolo di vista diverso da zero, l'errore di posizione è facilmente ricavabile e risulta: errore = ε + x dove x è: ε ( Hs cosα Ht) T ' O senαht x = Ht hs cosα Il grafico mostrato nella figura 4 rappresenta l'errore di posizione per diverse quote del punto, al variare della distanza dal centro della scena per un determinato angolo di vista del sensore (5 ) e per una quota del satellite pari a 680 km. 21

7 Errore di posizione Errore (m) Distanza dal centro scena (m) 100 mt 300 mt 600 mt 1200 mt Fig 4 Grafico riportante l'errore di posizione in funzione della distanza dal centro scena per varie altezze del terreno per angolo di vista di 5. Correzioni delle distorsioni geometriche Le immagini acquisite system corrected sono pre-elaborate e corrette per le distorsioni dovute essenzialmente all assetto della piattaforma satellitare. Per la corrispondenza tra i pixel dell immagine e la posizione nella cartografia presa come riferimento viene normalmente effettuata con le consuete tecniche di georeferenziazione. Esistono sostanzialmente due modi di procedere quando si effettuano le correzioni geometriche. Da una parte si adottano procedure ad hoc che, una volta individuata la causa della distorsione, intervengono su questa utilizzando i parametri noti quali la velocità di avanzamento del satellite, la quota alla quale è realizzata l orbita, oppure i dati generali di navigazione registrati a bordo della piattaforma. Questi tipi di correzioni vengono normalmente assicurate dalla casa distributrice dei dati, che fornisce quindi prodotti pre-elaborati senza le distorsioni dovute alle variazioni di assetto. Questi prodotti sono noti con il termine generale system corrected. La rettificazione Con il termine rettificazione si intende tutta la procedura necessaria per trasformare il dato organizzato secondo una determinata matrice in una nuova griglia che rappresenti un sistema cartesiano di riferimento geografico in forma planare. Una volta noto un sistema di proiezione di una mappa, cioè un sistema in grado di rappresentare su di una superficie piana una porzione di una superficie di una sfera, tramite la rettificazione, si trasformano le coordinate di ognuno dei pixel dell immagine digitale al fine di ottenere le nuove coordinate sul sistema dato. Mediante la rettificazione in buona sostanza si assegnano le nuove coordinate ai pixel sul nuovo sistema di riferimento. La fase che segue la rettificazione, il ricampionamento, provvede a fornire i valori di luminosità per questi nuovi pixel. In questo modo si arriva ad avere una nuova mappa dal punto di vista delle coordinate geografiche, che contiene valori radiometrici derivati da quelli contenuti sulla mappa digitale originaria. 22

8 Rettificazione mediante Ground Controll Point (GCP) Il processo di rettificazione consiste nell ottenere le coordinate (x0, y0)di output per ogni pixel, sulla mappa planare, a partire da quelle (xi, yi ) di input sull immagine digitale. Ciò è realizzato tramite le funzioni f e g: x 0 = f(x i, y i ) y 0 = g(x i, y i ) La stima dei parametri delle funzioni f e g viene realizzata tramite il metodo dei minimi quadrati, sulla base della conoscenza delle coordinate (x0, y0) e (xi, yi ). La forma adottata per tali funzioni è di tipo polinomiale, il cui ordine (cioè l esponente massimo del polinomio) viene scelto in base a considerazioni sul tipo di correzioni che devono realizzarsi. Nel caso per esempio dell utilizzo di polinomi del primo ordine si operano trasformazioni lineari come cambi di scala, di pendenza e rotazioni. Nel caso invece del secondo ordine si operano trasformazioni non lineari quali curvature e compressioni. Una variazione della metodologia dei minimi quadrati è stata recentemente proposta da Carlà et al. 1996, per effettuare la correzione degli errori introdotti dalla morfologia accidentata del territorio. Metodologia applicata L eliminazione dell errore di parallasse è basato essenzialmente sulla stima dei minimi quadrati delle funzioni di trasformazione per la determinazione degli indici della matrice che rappresenta l immagine system corrected che in questo caso sono: Friga = (x,y,z,xz) Fcolonna = (x,y,z,xz) In pratica rispetto alla classica trasformazione che considera solamente le coordinate x e y della mappa, viene preso in considerazione anche la quota del punto ed un termine misto (xz) che viene calcolato come prodotto tra il valore della coordinata x e il valore della quota. L'operatore utilizzando la cartografia in scala 1: della Regione Marche unitamente alle scene acquisite ha selezionato circa 20 GCP per scena. L'indicazione della quota per ogni punto è stata successivamente calcolata automaticamente attraverso l'utilizzo del modello digitale del terreno. Attraverso il software commerciale Geomatica sono state elaborate le funzioni di trasformazione attraverso una analisi dei minimi quadrati. La correzione delle immagini è stata realizzata con il medesimo software che in base ai coefficienti delle equazioni, all'immagine del DTM e all immagine IKONOS originale, georeferenzia e corregge per l errore di parallasse. 23

9 Accuratezza della rettificazione L accuratezza viene calcolata evidenziando l errore quadratico medio che esprime la distanza tra le coordinate sull immagine digitale, fra i punti GCP nelle loro precedenti coordinate e gli stessi GCP ritrasformati mediante il modello adottato. In pratica si calcolano le coordinate dei GCP mediante il sistema di equazioni di ordine t scelto, in seguito queste coordinate fittizie vengono confrontate con quelle vere dei GCP sull immagine digitale. La misura dell errore verrà indicata com RMS error (Root Mean Square error). Indicando con (xr, yr ) le coordinate dei GCP ritrasformate mediante il modello, n il numero dei GCPs utilizzati, il calcolo dell errore sarà così calcolato: RMSE = 2 ( xr xi) ( yr yi) + n n 2 Tale formula esprime la distanza media fra i punti, calcolata sul riferimento originario, ossia sulla mappa digitale. In questa situazione esso rappresenta una misura di tolleranza in termini di pixel. Una volta determinata la funzione di remapping delle coordinate dei pixel dell immagine si rende necessario ricalcolare i valori di luminosità dei pixels sulla nuova griglia. Ciò viene realizzato attraverso alcuni metodi di ricampionamento fra i quali distinguiamo la tecnica del confinante più vicino, interpolazione bilineare e la convoluzione cubica, nel nostro caso abbiamo utilizzato la tecnica della convoluzione cubica con il nome inglese cubic convolution che consente di mantenere i tratti geometrici degli elementi sul terreno meno alterati. Raccolta dei GCP e verifica dell'accuratezza Complessivamente sono stati circa 480 GCP, per ognuno dei quali sono state individuate le coordinate del pixel in termini di riga e colonna e i corrispondenti valori in termini di coordinate topografiche direttamente lette dalle carte topografiche. Nelle Tabelle 1 e 2 vengono riportati i GPC utilizzati per l ortorettifica delle immagini con i relativi parametri di posizionamento: ID_GCP: Identificativo del GCP; X COMP: Valore della coordinata X interpolata; Y COMP : Valore della coordinata Y interpolata; RES XY : Errore residuo xy RES X: Errore residuo x RES Y: Errore residuo y X GCP: Valore della coordinata X assegnata; Y GCP: Valore della coordinata Y assegnata; Z GCP: Valore della coordinata Z assegnata. 24

10 Le figure che seguono mostrano una porzione di una scena acquisita e corretta con il modello digitale del terreno, con la sovrapposizione di alcuni elementi della CTR della Regione Marche. Le Figure 1-24 mostrano Il posizionamento dei singoli GCP sulle relative immagini Ikonos acquisite. Fusing delle immagini Per ogni immagine Ikonos si è provveduto a combinare le 4 bande del colore (Rosso, Verde, Blu e Vicino infrarosso) a risoluzione geometrica di 4 m, con la banda del parcromatico a risoluzione di 1 m. Per mezzo di questa trasformazione spaziale e cromatica è stato possibile ottenere un immagine ibrida che mantiene la risoluzione geometrica della banda del pancromatico (1 m) e la risoluzione cromatica delle 4 bande standard RGBI (4 m). Delle quattro tecniche comunemente utilizzate in questo tipo di elaborazioni, IHS (Intensity, Hue, Saturation), PCA (Principal Components Analysis), ACBF (Arithmetic Combination Based Fusion, e WBF (Wavelet Based Fusion), è stata adottata quella denominata IHS, per mezzo della quale è possibile separare e combinare un immagine standard RGBI in una componente spaziale (I) e in due spettrali (H, S). Concettualmente questa tecnica può essere sintetizzata con i seguenti passaggi: A) si procede a trasformare un immagine RGB in un immagine IHS, B) si sostituisce la componente I (Intensità) con l immagine pancromatica ad alta risoluzione; C) si esegue una nuova trasformazione cromatica convertendo l immagine da IHS a RGB 25

11 Di seguito si riportano alcuni esempi illustrativi del fusing delle immagini: 26

12 Mosaicatura e ritaglio delle immagini La rappresentazione cromatica restituita da ogni singolo pixel di un immagine telerillevata è influenzata da numerosi fattori quali; le condizioni atmosferiche, la presenza di specchi d acqua, l inclinazione del sole rispetto allo zenit, etc. Al fine di rendere meno accentuate le differenze cromatiche tra immagini contigue, per ogni banda dello stesso tipo (Rosso, Verde, Blu e Infrarosso) è stato applicato un Histogram Match. Ciò ha permesso di derivare delle immagini simili per contrasto e luminosità. Le immagini così ricavate sono state mosaicate ottenendo, per tutta l area in esame, un unica immagine RGB e un unica immagine a falsi colori 432. Successivamente si è provveduto a ritagliare l immagine mosaicata sulla base dell inquadramento 1:10000 della CTR Regione Marche. Elaborazione delle scene Ikonos relative al territorio Albanese Anche sul territorio relativo alla provincia di Durazzo, è stata seguita una analoga metodologia per l ortorettifica delle scene Ikonos. Le basi di dati disponibili per l operazione di ortorettifica sono rapresentate dalla cartografia di base in scala 1: e dal modello digitale opportunamente elaborato utilizzando i dati della missione SRTM (vedi relazione sviluppo del DTM ). Un primo tentativo di ortorettifica utilizzando la raccolta di GCP direttamente sul supporto in scala 1: si è dimostrato con scarsa accuratezza geometrica, producendo immagini con RMSE variabile da 30 a 40 m. Per questo motivo si è ricorsi alla tecnica di ortorettifica utilizzando i parametri RPC (rational, polinomial coefficient) allegate al dataset di ogni singola scena, integrati con rilievi GPS acquisiti durante la campagna a terra effettuata nell ottobre Questa tecnica consente di ottenere prodotti di precisione geometrica superiore con l utilizzo di pochi punti di controllo (Tabella 3). Le scene ortorettificate secondo questa tecnica presentano un errore geometrico di circa 4 metri. In considerazione della scarsa risoluzione del DTM (90 metri) e dell esiguo numero di GCP raccolti la precisione geometrica delle scene prodotte è da considerasi ottimale. 27

13 Mosaico delle 7 scene Ikonos acquisite sul territorio Albanese 28

14 TABELLA 1. Report dei GPC e relativi parametri di posizionamento territorio Regione Marche. Po_183560_rgb_ ID_GCP X COMP Y COMP RES XY RES X RES Y X GCP Y GCP Z GCP G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_183560_rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

15 Po_183561_rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_183561_rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

16 Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

17 Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

18 Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

19 Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

20 Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

21 Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

22 Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE po_ _pan_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

23 po_ _pan_ G G G G G G G G G G G RSM TOTALE po_ _pan_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE po_ _pan_ G G G G G G G G G G G G G G

24 G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G

25 G G G G G G G RSM TOTALE Po_ _rgb_ G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G RSM TOTALE

26 Tabella 2. Report sintetico relativo alle singole immagini e relativi RES ID_FOTO RES XY RES X RES Y Po_183560_rgb_ Po_183560_rgb_ Po_183561_rgb_ Po_183561_rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ po_ _pan_ po_ _pan_ po_ _pan_ po_ _pan_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ Po_ _rgb_ RSM TOTALE

27 Tabella 3. Report dei GPC e relativi parametri di posizionamento all'area di Durazzo SCENA IKONOS ID_GCP X COMP Y COMP RES XY RES X RES Y X GCP Y GCP Z GCP po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G po_ _pan_ G RSM TOTALE

28 FIGURA 1 43

29 FIGURA 2 44

30 FIGURA 3 45

31 FIGURA 4 46

32 FIGURA 5 47

33 FIGURA 6 48

34 FIGURA 7 49

35 FIGURA 8 50

36 FIGURA 9 51

37 FIGURA 10 52

38 FIGURA 11 53

39 FIGURA 12 54

40 FIGURA 13 55

41 FIGURA 14 56

42 FIGURA 15 57

43 FIGURA 16 58

44 FIGURA 17 59

45 FIGURA 18 60

46 FIGURA 19 61

47 FIGURA 20 62

48 FIGURA 21 63

49 FIGURA 22 64

50 FIGURA 23 65

51 FIGURA 24 66