3.2 STRUMENTI E DATI DEL TELERILEVAMENTO

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1 Telerilevamento 3.2 STRUMENTI E DATI DEL TELERILEVAMENTO utili per moltissimi scopi. Tutto ciò è possibile, in particolare, grazie all uso di piattaforme (come aerei o satelliti) che consentono di riprendere a distanza più o meno ravvicinata Nel corso della sua storia, l uomo ha sempre cer- il territorio, e di sensori che ne scrutano le carattecato nuovi modi per superare i suoi limiti naturali di ristiche e le condizioni. osservazione e di percezione visiva, per riuscire a scrutare oltre il muro, la collina, la montagna Caratteristiche e peculiarità Il Telerilevamento (TLR) può essere considerato del telerilevamento una tappa di questo cammino dell uomo verso una visione più completa e complessiva dell ambiente In Telerilevamento l osservazione del territorio è in cui vive. possibile grazie alla ripresa a distanza e all uso di Sfruttando le conoscenze dei fenomeni d interazio- sensori. ne tra energia elettromagnetica e superfici naturali, tale disciplina permette di abbracciare con un Visione a distanza. Il TLR consente di riprendere solo sguardo vaste aree di territorio e di rappre- a distanza vasti territori, anche quelli posti in zone sentarlo su piccola scala attraverso immagini e remote ed inaccessibili (ad esempio, i ghiacciai, i mappe estremamente dettagliate, che si rivelano deserti); senza un contatto diretto ed un intervento invasivo su essi (si pensi alla possibilità di controllare lo stato di salute di una foresta senza dover raccogliere campioni delle sue foglie). Figura Il satellite ENVISAT 1, uno dei satelliti di moderna generazione dell Agenzia Spaziale Europea (ESA) è dotato di numerosi strumenti a bordo, alcuni dei quali sono stati montati per raccogliere informazioni particolari ed utili per lo studio dell ambiente. Ad esempio il sensore AATSR misura la temperatura superficiale del mare; il sensore GOMOS monitora la diminuzione dello strato atmosferico di ozono; il sensore RA-2 misura la velocità dei venti; lo spettroradiometro MERIS misura l energia riflessa dalla superficie terrestre; il Radar ASAR osserva la Terra indipendentemente dalle condizioni del tempo. L immagine qui riportata permette di apprezzare le dimensioni e la complessità di questo satellite (fonte University of Leicester). 24 Figura Félix Tournachon, detto Nadar che nel 1856 attrezzò un pallone ed effettuò le prime riprese stereoscopiche aree a Parigi.

2 Capitolo 3.2 Misura con i sensori. Il TLR fa uso di sensori che permettono di vedere cose che ad occhio nudo non saremmo in grado di distinguere, discriminando in un immagine un gran numero di elementi (suolo, vegetazione, acqua, ecc.) e riconoscendo le loro caratteristiche (umidità, stato di salute, concentrazione dei nutrienti, ecc.). Ripresa sinottica. La ripresa a distanza offre una prospettiva di visione di estese porzioni di territori: possiamo così seguire il percorso di un fiume che attraversa vari paesi; osservare la diversa distribuzione delle colture agricole in territori differenti; controllare la diffusione degli incendi di un intero continente o monitorare le condizioni di vaste distese oceaniche. Figura Esempio di ripresa multispettrale. Figura Concentrazione di clorofilla nel Mediterraneo. Ripresa multispettrale. La visione a colori dell uomo è limitata perché permette di osservare solo una piccola parte del comportamento spettrale degli oggetti che avviene sempre lungo tutto lo spettro elettromagnetico. Il telerilevamento, invece, osserva il comportamento delle superfici in varie porzioni dello spettro, riprese dalle bande dei sensori, riuscendo così a distinguere in un territorio tipologie e stato delle superfici e degli oggetti che lo compongono. Ripresa multitemporale. Infine, le tecniche di telerilevamento consentono di riprendere la stessa scena ad intervalli di tempo diversi e regolari. Questo è particolarmente interessante se si è interessati a monitorare fenomeni naturali con un andamento dinamico, come l evoluzione meteorologica, lo scioglimento dei ghiacciai, il ciclo vegetativo delle colture, o fenomeni devastanti connessi all attività umana, come la deforestazione di alcune Figura Il processo di deforestazione in alcune zone del Brasile tra il 1975 ed il aree del pianeta. 25

3 Telerilevamento Uno degli aspetti più importanti che fanno del Telerilevamento uno strumento utile per il monitoraggio dell ambiente e del territorio è la possibilità di effettuare riprese multiple, ovvero con diverse risoluzioni spaziali, con differenti caratteristiche spettrali e di acquisire i dati in momenti diversi. Combinando insieme i diversi strumenti, sensori e mezzi è possibile realizzare un monitoraggio dell ambiente e del territorio che ne riesca a cogliere tutta la complessità La ripresa a distanza: le piattaforme Come abbiamo visto, il Telerilevamento si basa sull acquisizione di dati a distanza ovvero sulla misurazione dell energia elettromagnetica, emessa o riflessa, dalle superfici osservate senza un diretto contatto con queste. A seconda della distanza e delle caratteristiche dello strumento è possibile indagare differenti aspetti legati al territorio. Gli strumenti del Telerilevamento vengono montati su apposite piattaforme che in funzione della prospettiva e della quota di osservazione vengono distinte in: piattaforme da terra, da aereo da satellite. Piattaforme da terra. Gli strumenti di questa piattaforma sono vincolati alla superficie terrestre. In genere si ricorre alla ripresa a distanza da terra sia per ottenere informazioni spettrali estremamente dettagliate e inerenti piccole porzioni di territorio sia per tarare e calibrare i dati acquisiti con altre piattaforme, ad esempio per correggere l effetto dell atmosfera nelle immagini riprese da aereo o da satellite. Esempi di piattaforme a terra sono veicoli con braccio mobile, torri metalliche o cavalletti. Figura 3.2.6a Piattaforme da terra Piattaforme aeree. Le riprese aeree vengono eseguite da quote variabili comprese tra i 300 e i metri e con strumentazioni diverse in funzione delle finalità del volo e delle caratteristiche delle aree da rilevare. Esse consentono di acquisire immagini ad alta risoluzione a terra (da 5 a 100 centimetri) per il colore (RGB), falso colore e pancromatico e, a risoluzione leggermente inferiore, (da 100 a 200 centimetri) usando i sensori multispettrali. Grazie a queste riprese è possibile ottenere una visione stereoscopica (3D) del territorio che permette di produrre accurate cartografie ed eseguire precise misure altimetriche e plano-altimetriche. Sugli aerei è possibile montare diversi sensori contemporaneamente (camere da ripresa fotogrammetriche, analogiche o digitali, sensori multispettrale, laser altimetrici, ecc.) ottenendo così una più dettagliata indagine del territorio. Inoltre, grazie ai moderni sistemi GPS-inerziali è possibile una georeferenziazione diretta dei dati e delle immagini acquisite. L accurata programmazione dei sorvoli aerei in relazione alle caratteristiche delle aree di interesse, che possono essere anche limitate e molto eterogenee, offre poi la possibilità di scegliere il momento più opportuno per l acquisizione delle immagini. È interessante ricordare che dal 2000 le immagini riprese da piattaforma aerea non sono più soggette al controllo di riservatezza mili- 26

4 Capitolo 3.2 tare per cui rappresentano il territorio nella sua interezza senza mascherare alcuna area. Un satellite è un corpo, sia celeste sia artificiale, che ruota attorno ad un pianeta, con una traiettoria detta orbita, dipendente dalla forza d attrazione fra due corpi (gravità) e dalla forza centrifuga. I satelliti artificiali sono lanciati ad una determinata velocità, in funzione del raggiungimento della posizione d equilibrio di queste due forze, in zone dell atmosfera in cui le forze d attrito sono nulle. Esistono ormai un gran numero di satelliti artificiali utilizzati negli studi di Telerilevamento, con caratteristiche tecniche molto differenti (come vedremo più avanti), che riprendono porzioni differenti della superficie terrestre in funzione delle differenti orbite. Figura 3.2.6b Piattaforme aeree Piattaforme satellitari. I satelliti artificiali per l osservazione della terra dallo spazio sono impiegati per il monitoraggio ripetitivo e sistematico di grandi estensioni di territorio. Figura 3.2.6c Piattaforme satellitari I satelliti artificiali: orbite geostazionarie e polari I dati ottenuti da piattaforme satellitari sono molto utili per il monitoraggio continuo del globo terrestre. I satelliti permettono infatti periodiche riprese del territorio indispensabili in settori, come quello delle previsioni metereologiche, basate ormai sulle immagini che provengono ogni 15 minuti dai sensori spaziali. I satelliti possono essere automatici o con equipaggio a bordo e la tipologia dei dati e la frequenza di acquisizione dipendono dalle caratteristiche orbitali. Si distinguono così due principali categorie: i satelliti geostazionari e quelli polari. I satelliti geostazionari sono in genere utilizzati per le telecomunicazioni o per la meteorologia. La loro principale caratteristica è di viaggiare alla stessa velocità angolare della terra, essi possiedono un inclinazione nulla rispetto al piano dell equatore e compiono perciò un orbita geosincrona (circolare) completa in 24 ore ad una quota di circa km con direzione da Ovest ad Est. Queste caratteristiche permettono al satellite di osservare sempre la stessa porzione di territorio. Se fosse possibile vedere un satellite geostazionario (ad esempio il METEOSAT) ad occhio nudo dalla terra, esso ci apparirebbe immobile proprio perché il suo movimento è contemporaneo a quello della rotazione terrestre. 27

5 Telerilevamento I satelliti polari sono invece ampiamente utilizzati negli studi di Telerilevamento per l osservazione della terra. Essi possiedono un inclinazione di circa 90 rispetto all equatore e seguono un orbita eliosincrona (ellittica) che li fa sorvolare ad intervalli regolari i due poli terrestri. Essi viaggiano a bassa quota, rispetto ai precedenti, trovandosi generalmente ad una distanza dalla terra di km, e a velocità molto elevate per non essere attratti dalla forza di gravità verso la superficie terrestre. Figura Satelliti geostazionari (a) e polari (b) Strumenti misura dell energia, le bande e la visione multispettrale Ogni oggetto (superficie) è caratterizzato da una propria impronta spettrale in funzione della peculiare interazione con la radiazione elettromagnetifigura Satelliti geostazionari (a) e polari (b). ca. Proprio grazie alla misura dell energia emessa o riflessa dalle superfici, registrata da appositi Tabella I principali sistemi satellitari sono suddivisi in tre blocchi in sensori nelle diverse lunghezze d onda, è possibile funzione della risoluzione geometrica dei sensori ottici (bassa, media e distinguere in un territorio le differenti tipologie (un corpo idrico da un campo agricolo, da un affioraalta). 28

6 Capitolo 3.2 mento roccioso, ecc.) e lo stato delle superfici e degli oggetti che lo compongono (qualità delle acque del corpo idrico, stato della vegetazione nei campi, presenza di determinati minerali nelle rocce, ecc.). Una delle peculiarità che rendono il Telerilevamento una tecnica molto versatile e fortemente utilizzata per l osservazione della terra, è la possibilità di analisi multispettrale ovvero la capacità di acquisire più immagini contemporaneamente una per ogni porzione spettrale acquisibile dal sensore e poi interpretare, uno stesso oggetto in diverse lunghezza d onda. Queste porzioni spettrali, definite da un valore inferiore e da uno superiore di lunghezze d onda, vengono chiamate bande spettrali. L acquisizione d immagini in diverse bande consente perciò di analizzare differenti proprietà delle superfici indagate proprio per le specifiche risposte che esse danno in differenti porzioni dello spettro. L informazione ricavabile dall analisi multispettrale dipende perciò dal numero di bande e dalle loro caratteristiche ovvero dalla loro grandezza e posizione relativa all interno dello spettro. Misure puntuali (radiometri e spettroradiometri). Il Telerilevamento utilizza strumenti in grado di misurare la radiazione elettromagnetica proveniente da un corpo nelle varie lunghezze d onda. Questi strumenti prendono il nome di radiometri. I radiometri in genere misurano l energia radiante relativa a una sola regione spettrale oppure sono in grado di funzionare simultaneamente in varie bande dello spettro. In questo caso si parla di radiometri multispettrali. I dati ottenuti dai radiometri sono valori numerici di radianza, relativa alla superficie in esame, sulla lunghezza d onda indagata. I radiometri in grado di misurare l energia radiante simultaneamente in molte (da 50 a 200) bande spettrali contigue sono chiamati spettroradiometri. I dati acquisiti da uno spettroradiometro sono misure di radianza continue su un intervallo di lunghezze d onda; è quindi possibile rappresentare graficamente l andamento spettrale della radianza dell oggetto di studio (fig ). Radiometri e spettroradiometri sono strumenti indispensabili nel Telerilevamento. Il loro utilizzo permette l acquisizione di misure di radianza puntuali cioè di misurare l energia raggiante proveniente dalla superficie in esame, relativa ad un area la cui estensione dipende dall ottica di ripresa del sensore. Ad esempio nella figura viene visualizzata l area di ripresa di uno spettroradiometro usato durante un rilevamento sul campo. In genere questi strumenti sono molto utili per analizzare porzioni di superficie molto piccole o per correggere e calibrare i dati rilevati da satellite o da aereo. Figura Radiometro Exotec: sono visibili i 4 obiettivi, grazie ai filtri su essi montati, che forniscono dati nelle bande del blu, verde, rosso e infrarosso VICINO. Figura I dati di un radiometro sono uno o più numeri relativi alla radianza rilevata nei diversi canali in cui opera, i dati degli spettroradiometri permettono di ricostruire la firma spettrale di una superficie passo dopo passo offrendo una rappresentazione pressoché continua. 29

7 Telerilevamento Kiwi o limone? Consideriamo due frutti, apparentemente diversi, un kiwi e un limone. Chiunque di noi è in grado di distinguere a prima vista la differenza tra i due. Nel distinguere i due frutti infatti, sfruttiamo dei meccanismi mentali che riconoscono e misurano automaticamente le diverse proprietà degli oggetti (colore, dimensione, etc.) e solo la contemporanea analisi di queste proprietà permette al nostro cervello di classificare in maniera differente il kiwi dal limone. Figura Le misure puntuali sono un altra delle potenzialità offerte dagli strumenti del telerilevamento, le misure in campo permettono di ottenere moltissime informazioni che le immagini satellitari non riescono a cogliere L analisi multispettrale: caratteristiche e vantaggi Per capire il concetto di analisi multispettrale osserviamo il seguente esempio. Immaginiamo che le bande spettrali dei sensori del Telerilevamento siano strumenti che misurano le differenti proprietà degli oggetti. Per caratterizzare un frutto possiamo descriverlo misurando il suo peso, il diametro, la concentrazione di zuccheri o il colore. Ma quale è il vantaggio di avere tante caratteristiche in contemporanea? Quanti più parametri avremo (ovvero bande spettrali) tanto più facile sarà distinguere ad esempio un frutto da un altro ed ottenere informazioni dettagliate circa le sue proprietà. Figura Il kiwi e il limone sono i due frutti utilizzati per meglio capire il concetto dell analisi multispettrale. Se cercassimo infatti di differenziare i due frutti in funzione di un singolo parametro, o variabile, ad esempio il diametro, potremmo commettere degli errori di valutazione. Il grafico nella figura mostra come il valore medio del diametro dei kiwi sia infatti molto simile a quello dei limoni. Avendo a disposizione il solo valore di diametro non è perciò possibile con certezza decidere se sia stato misurato su un kiwi o su un limone. È possibile cioè avere kiwi con valori di diametro più piccolo rispetto alla media o più grandi; stesso discorso per i limoni. In definitiva, la valutazione sulla base del solo valore di diametro non ci permette di capire quali dei frutti è il kiwi e quale è il limone. Per poterli distinguere dobbiamo aggiungere un altra variabile, ad esempio il peso. 30

8 Capitolo 3.2 Figura Il grafico mostra che il diametro dei frutti non permette di distinguere il kiwi dal limone. Figura Il grafico mostra che anche il peso non è sufficiente a distinguere il kiwi dal limone. Anche se i limoni risultano generalmente un po più pesanti dei kiwi, anche in questo caso i due frutti sono difficilmente raggruppabili in popolazioni differenti sulla base del peso. È necessario quindi aggiungere ancora una nuova variabile; proviamo ad esempio con il colore misurato da uno strumento. Ecco che l aggiunta del parametro colore permette di distinguere i due frutti che vengono così raggruppati in due tipologie differenti di frutto. Quello che però notiamo è che molti limoni hanno un comportamento intermedio, in termini di colore: ad esempio i limoni acerbi hanno colore tendente al verde e quindi potrebbero ancora essere confusi con i kiwi. Per risolvere questo problema è necessario con- 31

9 Telerilevamento Figura Il grafico mostra che l uso del parametro colore permette la distinzione dei due frutti. Figura Per distinguere una foglia malata da una sana con le tecniche di Telerilevamento bisogna disporre di un numero di bande sufficiente a cogliere tutte le caratteristiche spettrali della foglia. siderare contemporaneamente tutte e tre le variabili considerate, esattamente come fa automaticamente il nostro cervello. Si vedrà così che i kiwi hanno generalmente un diametro più piccolo dei limoni, pesano un po meno ed hanno un colore che è sensibilmente più verde. Dai frutti ai dati telerilevati. Questo esempio ci fa capire che aumentando il numero delle variabili considerate, aumenta la possibilità di distinguere due elementi differenti. Proviamo adesso a riportare l esempio al Telerilevamento, considerando come variabili le bande spettrali: maggiore sarà il numero delle bande, maggiori saranno le informazioni relative alle superfici analizzate e dunque maggiore la possibilità di discriminare e distinguere queste superfici. Con le sole 4 bande descritte in figura a non è possibile determinare quale foglia sia sana (linea rosa) e quale sia malata (linea blu). Aumentando il numero di bande ci accorgiamo invece che le due firme spettrali si distinguono maggiormente consentendo di discriminare le foglie sane da quelle malate. Incrementando il numero di bande il fenomeno è ancora più evidente consentendo di differenziare le due situazioni senza dubbi. 32

10 Capitolo Acquisizione immagini (macchine fotografiche e scanner) Generalmente quando pensiamo al Telerilevamento non pensiamo a misure puntuali come quelle descritte in precedenza bensì alle immagini, strumenti fondamentali per lo studio del territorio. Tra i mezzi utilizzati nel Telerilevamento quelli necessari per creare immagini, sono le macchine fotografiche e gli scanner. Le macchine fotografiche. Le macchine fotografiche possono essere considerate i veri precursori dei sistemi moderni di Telerilevamento, i cui inizi si fanno risalire ai primi esperimenti di Daguerre e Nièpiece. Per sistema fotografico s intende un insieme strumentale comprensivo di: ottica, camera, pellicola e sviluppo, con lo scopo di acquisire e produrre immagini, che per gli studi di Telerilevamento hanno importanza sia dal punto di vista delle informazioni geometriche che una fotografia può dare, sia dal punto di vista del colore e quindi delle informazioni Figura Firma spettrale di due differenti alberi ottenuta utilizzando: 4 bande spettrali (a); 10 bande spettrali (b); 420 bande spettrali (c). La differenza fra i tre grafici è notevole, con il primo non riusciamo a distinguere le superfici analizzate, nel secondo si differenziano le due superfici ma non capiamo la natura di queste, il terzo grafico è la firma spettrale tipica della vegetazione da cui possiamo risalire a tutte le informazioni richieste circa i due alberi distinguendo quello sano da quello malato. Figura L occhio umano e la macchina fotografica hanno la stessa struttura e lo stesso funzionamento. Sono dotati di un sistema ottico: un sistema di lenti nell obiettivo della macchina fotografica e di cornea, cristallino, umor vitreo e acqueo nell occhio; sono dotati di un regolatore dell intensità luminosa: il diaframma nella macchina fotografica e l iride nell occhi; e da un recettore dell immagine: la pellicola nella macchina fotografica e la retina nell occhio. 33

11 Telerilevamento cromatiche dovute alle caratteristiche dell energia riflessa dalla superficie fotografata. Il meccanismo di funzionamento delle camere fotografiche è molto simile a quello dell occhio umano. Esse sono dotate di un elemento ottico (obiettivo), costituito da un insieme di lenti in grado di far convergere la luce verso la pellicola; di un esposimetro, che consente di controllare l intensità di luce che entra nella macchina fotografica; di un otturatore per il tempo d esposizione della pellicola, e di un diaframma, che regola la quantità di luce che entra nella fotocamera. Gli scanner. Gli scanner digitali, proprio come quelli collegati ai computer di casa che vengono utilizzati per digitalizzare testi o immagini, sono dei radiometri a scansione in grado di esplorare una scena riga per riga producendo un immagine bidimensionale del territorio ripreso. Le tappe del loro funzionamento sono: - raccolta dell energia elettromagnetica, attraverso un sistema ottico, proveniente dalla scena; - trasformazione dell energia in segnali elettrici attraverso dei rilevatori Gli scanner, attraverso una sequenza di misure nello spazio, permettono l indagine di strisce. La luce riflessa da queste porzioni viene acquisita e separata in varie lunghezze d onda; quest operazione viene effettuata attraverso un prisma selettore, che in un sistema multispettrale è in grado di separare le varie lunghezze d onda in funzione delle bande spettrali previste dal sensore. Esistono differenti tipologie di scanner multispettrale. Gli scanner CROSS-TRACK esplorano la terra in una serie di strisce, ognuna di queste viene analizzata da un lato all altro del sensore, per mezzo di uno specchio di rotazione (1) o di oscillazione (metodo whiskbroom). La rotazione dello specchio permette l acquisizione della strisciata, generalmente molto lunga e stretta, senza il movimento della piattaforma, che si muove esclusivamente lungo la direzione di volo, consentendo l osservazione di una nuova strisciata. Il campo di vista istantaneo (2) e l altezza della piattaforma determinano la cella di risoluzione al suolo (3) e così determinano la risoluzione spaziale. Poiché la distanza fra il rivelatore e l obiettivo aumenta verso i bordi della strisciata, le celle di risoluzione più laterali, al suolo diventano più grandi ed introducono delle distorsioni geometriche nelle immagini. Figura Gli scanner montati sui satelliti effettuano rilevamenti secondo strisciate, composte da un insieme di linee successive, che vengono poi suddivise in scene Figura Scanner CROSS-TRACK, montato sui satelliti LANDSAT. 34

12 Capitolo 3.2 Gli scanner ALONG-TRACK sono sistemi elettronici in linea, non utilizzano lo specchio rotante ma diversi rivelatori posizionati in sequenza (1) e funzionanti contemporaneamente. La parte sensoriale di questi scanner è costituita da un insieme di rivelatori all interno di un CCD (Charge Coupled Device), allineati e tutti uguali che vengono interrogati singolarmente da un dispositivo elettronico: l insieme delle risposte costituisce la linea di acquisizione formata da un numero di pixel pari al numero dei rivelatori (metodo pushbroom). Questi scanner presentano notevoli vantaggi rispetto a quelli CROSS-TRACK, infatti, il più lungo tempo d osservazione di ogni rivelatore su ogni cella di risoluzione a terra migliora la risoluzione radiometrica e spaziale delle immagini digitalizzate. L utilizzo contemporaneo di più sensori può però determinare problemi di intercalibrazione quando questi dispositivi non più tarati restituiscono misure con valori diversi in relazione alla stessa radiazione. Un altro tipo di sensore usato nel Telerilevamento per acquisire immagini è il radar, di cui descriveremo più avanti il funzionamento. Questo strumento si differenzia dai precedenti in quanto è attivo ed opera nella regione delle microonde Sistemi attivi e passivi I sensori impiegati in Telerilevamento si suddividono in due grandi gruppi: Attivi e Passivi. Il gruppo dei sensori attivi è quello che oltre a registrare l energia elettromagnetica proveniente dalle superfici, produce esso stesso l energia necessaria per illuminare la scena da riprendere. Si pensi ad una macchina fotografica che utilizza il flash per attivare la scena da riprendere. Tipici sistemi attivi d osservazione della terra sono il radar ed il lidar che inviano un fascio di radiazioni, e poi registrano il segnale di ritorno dopo che questo ha interagito, ed è perciò stato modificato, dalla superficie indagata. Gli strumenti che non emettono energia Figura Scanner ALONG-TRACK, montato sui satelliti SPOT Figura Il sensore emette energia e registra il segnale di ritorno (telerilevamento attivo, a). Il sensore necessita di una sorgente esterna di energia come il sole e (Telerilevamento passivo, b). 35

13 Telerilevamento propria, ma sfruttano esclusivamente la radiazione naturale di altre sorgenti luminose sono definiti passivi; esempi di sensori passivi sono i radiometri, che misurano l energia proveniente da sorgenti esterne (il sole nella banda del visibile, la terra nelle bande dell infrarosso termico e delle microonde). Usando sempre l esempio della macchina fotografica, quando questa opera senza flash si comporta come un sistema di rilevamento passivo. Sensori ottici. I sensori ottici per il telerilevamento passivo che operano nel visibile o nell infrarosso sono costituiti principalmente, da un sistema ottico di ripresa, da un sensore elettro-ottico e da un convertitore analogico digitale, come indicato nello schema sottostante. Il sistema ottico ha la funzione di focalizzare la radiazione ricevuta dalla superficie osservata sulla superficie del sensore vero e proprio. Questo a sua volta è un sistema elettro-ottico che ha il compito di convertire la potenza elettromagnetica che lo investe in un segnale elettrico di caratteristiche opportune. Il segnale così ottenuto viene successivamente digitalizzato dal sistema di conversione A/D. esterna come il sole e sono condizionate dall attenuazione atmosferica; essa è infatti praticamente nulla per lunghezze d onda maggiori di 3 cm. Il radar è costituito da un trasmettitore che emette un fascio d onde elettromagnetiche e da un ricevitore che misura l intensità della radiazione di ritorno diffusa dai corpi al suolo, definita radiazione di backscattering. Nei sistemi radar si utilizza la stessa antenna sia per trasmettere che per ricevere con un funzionamento alternato nel tempo. Le riprese in bande radar consentono il controllo della radiazione emessa dall antenna modulando in potenza, frequenza, polarizzazione, e in direzione. Nelle immagini radar è fondamentale il concetto di tessitura, definita come la disposizione geometrica delle macro-rugosità superficiali. Forniscono informazioni su fenomeni sotto-superficiali, in funzione della densità di copertura vegetale e del contenuto di umidità, con accesso a parametri che descrivono proprietà delle superfici diverse da quelli delle bande ottiche. La profondità di penetrazione del segnale radar cresce con il crescere della lunghezza d onda ed in funzione delle caratteristiche della superficie investigata. L intensità risultante è strettamente legata alla quantità di energia retrodiffusa dagli elementi presenti (scatters). Da quanto detto si può dedurre che le informazioni raccolte dai sensori ottici passivi e dai radar attivi, essendo differenti, possono essere considerate fra loro complementari per ottenere una descrizione più esaustiva delle condizioni ambientali del territorio. Figura Sottosistemi di un sensore per il telerilevamento passivo operante a frequenze ottiche. Il radar. Il radar è un sensore attivo che utilizza il principio d emissione e successiva registrazione di onde con lunghezza d onda compresa tra 0,1 cm e 1 m (microonde). Le riprese in banda radar sono utilissime da effettuare di notte ed in presenza di una copertura nuvolosa poiché non necessitano di una sorgente Figura L intensità del segnale di ritorno dipende dalla geometria e rugosità delle superfici coinvolte. L energia retrodiffusa è bassa per i corpi idrici (a), media per la vegetazione (b), elevata per le aree urbane (c). 36

14 Capitolo Le pellicole nella fotografia tradizionale e il sensore ccd nella fotografia digitale Nella fotografia tradizionale l impressione dell immagine fotografica avviene sulla pellicola, un dispositivo Tabella Le più comuni banderadar per lo studio delle risorse sensibile alla luce che permette l acquisizione e il manterrestri. tenimento dello scatto fotografico. Le pellicole sono formate da diversi strati sovrapposti, fra cui un emulsione gelatinosa trasparente ed assorbente costituita da grani d alogenuro d argento sensibili alla luce. L esposizione alla luce causa ai grani delle modificazioni fisiche, si crea un immagine latente (nascosta) successivamente visibile attraverso il trattamento chimico di sviluppo e fissaggio dell immagine. Le pellicole fotografiche si suddividono in due grandi famiglie: Negative: queste pellicole sono caratterizzate dal fatto che per ottenere il prodotto finale (positivo) è necessario un processo di stampa. Si suddividono in Bianco e nero: sono costituite da un unico strato, sono distinguibili in funzione della sensibilità spettrale in Ortocromatiche (insensibili alla luce rossa), Pancromatiche (la sensibilità spettrale è estesa a tutto il visibile) e Infrarosso (la cui sensibilità spettrale si estende oltre il visibile fino a circa 0,9 micron); Colori: sono costituite da tre strati sovrapposti. Diapositive: sono esse stesse il prodotto finito e quindi necessitano di un passaggio solo, evitando la somma degli errori introdotti dal processo di stampa. Anche le diapositive possono essere in bianco e nero oppure a colori, sono inoltre presenti quelle Infrarosso falso colore sensibili alle luci verde, rosso e all infrarosso vicino. Figura Le due immagini mostrano la stessa zona (il fiume Ticino), ripresa nella stessa giornata del dai satelliti Landsat (a) ed ERS (b). L immagine di sinistra è stata ripresa in bande ottiche, cioè nel campo dell energia riflessa la cui sorgente è naturale (il sole), quella di destra è in banda radar, cioè nel campo dell energia riflessa proveniente da una sorgente artificiale montata sul satellite. L immagine radar consente di fornire informazioni nonostante le nuvole presenti. Figura Schema di struttura e processo per alcune pellicole: negative (a), e positive (b). 37

15 Telerilevamento Nella fotografia digitale la pellicola è sostituita dal sensore CCD (Charge Coupled Device) o dispositivo ad accoppiamento di carica. Il CCD è un sensore a silicio composto da più strati in grado di misurare e registrare l energia luminosa. Quando è colpito dalla luce, lo strato di silicio costituente il sensore, rilascia un flusso di elettroni, proporzionali all intensità della luce. Questi elettroni rilasciati relativi ad ogni pixel sono convertiti in un segnale analogico-digitale che successivamente formerà l immagine. Lo svantaggio di questo sensore è che vede solo a livelli di grigio ovvero fornisce un idea dell energia totale che vi incide convertendola in numeri. Le nuove tecnologie hanno risolto il problema permettono oggi di ottenere immagini digitali a colori, tale risultato può essere ottenuto in due modi: anteponendo ai singoli pixel una fitta rete di microfiltri RGB (fig ) oppure utilizzando tre singoli sensori CCD ognuno filtrato diversamente (fig ). Figura Per ogni punto conosciamo sempre una delle tre caratteristiche cromatiche primarie (il rosso, il verde, oppure il blu) prodotte dall applicazione di tre differenti filtri spostati uno rispetto all altro. I colore RGB di una porzione dell immagine viene perciò ottenuto per interpolazione ricorrendo ai pixel, delle altre componenti, situati nell intorno di quell area. In figura sono evidenziati due generici pixel (A e B) il cui colore finale è il risultato dell interpolazione. Per il pixel A, che originariamente era stato filtrato con il filtro verde, il risultato è un colore tendente al giallo ottenuto dalla combinazione di pixel adiacenti rossi ad alta luminosità e blu a bassa. Il pixel B, che originariamente era filtrato con il filtro rosso, presenta invece un colore tendete al viola ottenuto per interpolazione di pixel adiacenti blu ad alta luminosità e verdi a bassa. In questi sistemi i microfiltri verdi occupano una maggiore superficie del CCD in quanto il nostro apparato visivo è più sensibile proprio in questa porzione di spettro. Figura Processo analogico/digitale di una macchina fotografica per l acquisizione di un immagine a tre sensori. Questa metodologia ha rappresentato un salto di qualità perchè evita i processi di interpolazione. Per ogni pixel della nostra immagine conosciamo esattamente ognuna delle tre componenti cromatiche che identificano il rispettivo colore I satelliti Landsat, i loro sensori e le bande utilizzate dal sensore ETM+ I satelliti americani della NASA (National Aeronautics and Space Administration) LANDSAT hanno lo scopo di fornire un flusso continuo di dati di Telerilevamento per il controllo delle risorse terrestri. Il primo satellite (LANDSAT 1) è stato lanciato ad un altezza di 910 km nel 1972, portava a bordo il sensore MSS (Multi Spectral Scanner) capace di una risoluzione spaziale di 79 metri, abilitato a registrare lo spettro della luce in 4 bande spettrali. Con il LANDSAT 4, lanciato nel 1982, l altezza del satellite passa a 705 km, mantenendo però sempre un orbita polare, il sensore utilizzato è il TM (Thematic Mapper), capace di una risoluzione spaziale variabile tra i 30 e i 120 metri con la capacità di utilizzare 7 bande. Dopo l insuccesso del LAND- SAT 6, perso al lancio nel 1993, l ultimo satellite della serie LANDSAT è il LANDSAT 7, lanciato nel 1999 ad un altezza di 705 km, è dotato del sensore ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus), capace di una risoluzione spaziale variabile tra i 15/ 30 e 60 metri, che utilizza 8 bende spettrali, 7 per raccogliere energia riflessa e una 1 per l energia emessa. 38

16 Capitolo 3.2 Figura Disegno del satellite americano LANDSAT 7. Vediamo nel dettaglio le caratteristiche delle bande spettrali utilizzate da sensore ETM+ montato sul satellite LANDSAT 7. La banda 1 comprende le lunghezze d onda nell intervallo tra i 0,45-0,52 µm, il limite inferiore è determinato dall azzeramento della radianza a causa dei forti fenomeni di diffusione e assorbimento dell atmosfera che determina forte rumore nei dati. Questa banda è centrata sul picco di trasmissione dell acqua limpida ed è dunque adatta allo studio della trasparenza dell acqua e all identificazione del materiale sospeso. Questa banda è anche utilizzata per osservare il comportamento di alcuni dei pigmenti fotosintetici (clorofilla/carotenoidi) nella vegetazione permettendo di evidenziare fenomeni di stress. La banda 2, con intervallo tra 0,52-0,60 µm, ricopre nello spettro la zona del verde e permette di risalire al vigore della vegetazione. Il rapporto tra le bande 1 e 2 fornisce importanti informazioni sulle acque; ad esempio dà indicazioni sui materiali organici disciolti e sulla presenza di plancton in un corpo idrico. La banda 3, con intervallo tra 0,63-0,69 µm, ricopre nello spettro la zona del rosso, è la banda con la diffusione atmosferica più bassa, per questo è un importante riferimento per controlli geometrici poiché le forme superficiali mostrano un alto contrasto. In questo intervallo di lunghezze d onda è possibile separare in maniera molto precisa le zone vegetate dai suoli scoperti. La banda 4, invisibile per l occhio umano, con intervallo di lunghezza d onda di 0,76-0,90 µm, è la regione dell infrarosso relazionabile a fenomeni di interazioni energia materia con meccanismi di riflessione. Nelle aree vegetate la riflessione é strettamente correlata alla struttura fogliare, che é un parametro importante per determinare tipologia e stato. La variazione del valore del picco di riflessione, attorno a 0,865 mm, può esser utile per la discriminazione fra le diverse specie. Questa banda è molto utile anche per delimitare i corpi idrici in quanto nelle immagini appaiono come zone nere per il forte assorbimento. Rapportandola con la banda del rosso ha permesso di sviluppare i diversi indici di vegetazione. La banda 5, con intervallo tra 1,55-1,75 µm, fornisce importanti informazioni sul contenuto in umidità delle foglie ma anche su quello dei suoli a causa dell alto assorbimento dell acqua. Questa banda permette inoltre di differenziare il diverso comportamento della neve dalle nuvole, in altre lunghezze d onda queste due superfici riflettendo molto risultano praticamente indistinguibili. La banda 6, con intervallo tra 10,4-12,5 µm, è quella dell infrarosso termico ed è dedicata all analisi dell emissione delle radiazioni emesse dalle superfici ovvero il calore irraggiato. È utilizzata negli studi di geotermia, vulcanologia e climatologia, è inoltre utilizzabile per effettuare rilievi notturni. Le riprese in quest intervallo di lunghezze d onda sono indicate con il termine di termografia, le immagini che si ottengono sono la rappresentazione, per mezzo di un codice di toni di grigio o di colore, del calore emesso per irraggiamento dalle superfici oggetto d osservazione. La banda 7 non segue l ordine progressivo delle altre bande descritte, l intervallo è tra 2,08-2,35 39

17 Telerilevamento µm e cade quindi nell IR medio, è importante nella discriminazione litologica e per osservare l assorbimento di proteine e per la determinazione del contenuto d azoto dell apparato fogliare. La banda 8 è la banda pancromatica, ovvero misura l energia in un ampio intervallo compreso tra 0,52 e 0,90 µm, presenta la caratteristica di possedere un elevata risoluzione spettrale dell ordine dei 15 metri. Figura Presentazione delle 8 bande del sistema di rilevamento Thematic Mapper (TM) operante a bordo dei satelliti della serie Landsat. I particolari della penisola di Sirmione del lago di Garda sono maggiormente distinguibili nella banda 8 pancromatica. L immagine a colori reali utilizza le prime tre bande spettrali, l immagine a falsi colori utilizza le bande 4-3-2, in quest ultima sono facilmente visibili le zone rimaste prive di insediamenti antropici (prati di colore rosso) I satelliti ERS per il telerilevamento attivo Il satellite ERS-1 (European Remote Sensing Radar), sviluppato dall ESA (Eureopean Space Agency) è stato il primo satellite europeo ad orbita polare, lanciato nel luglio del 1991, a cui è seguito l ERS-2 lanciato nell aprile del 1995 ad un altezza di 785 km con orbita polare eliosincrona. La risoluzione spaziale di entrambi i satelliti è di 25x25 metri, l ampiezza della scansione è di 100 km. I due satelliti possono considerarsi gemelli. Tra il 1995 e il 1996 hanno acquisito immagini con uno sfasamento tra i due di un solo giorno e questo ha consentito sviluppi notevoli nello studio dell interferometria (disciplina che consiste nel sovrapporre due fasci di onde elettromagnetiche provenienti da una stessa sorgente, ma raccolti da due o più strumenti separati. La loro sovrapposizione può provocare un rafforzamento o un attenuazione dell intensità della luce; dallo studio delle figure che si ottengono si possono ottenere diverse informazioni sulla sorgente, ad esempio le sue dimensioni angolari). Il satellite ERS-1 non è più funzionante dal marzo 40

18 Capitolo 3.2 del 2000 mentre l ERS-2 è ancora funzionante. I due satelliti ERS attuano il Telerilevamento di tipo attivo grazie all utilizzazione di sistemi radar, forniscono immagini aventi solo una polarizzazione (VV) ed utilizzano una lunghezza d onda compresa tra 5,22 e 7,14 cm (banda C). La banda C, poiché presenta un elevato grado di penetrazione, è molto utile per dare informazioni sul contenuto d umidità dei suoli, infatti la frequenza di questa banda permette di attraversare la copertura vegetale. I satelliti ERS sfruttano la tecnica SAR, che sfruttando l effetto Doppler, permette di ottenere immagini ad alta risoluzione (12,5 metri) pur utilizzando antenne di trasmissione di piccole dimensioni. L effetto Doppler consiste nel memorizzare e confrontare fra loro nel tempo i segnali di ritorno dalla superficie investigata, mentre il sensore si sposta lungo la linea di volo. Sfruttando questa tecnica, con un antenna lunga 6 metri, si eseguono rilevamenti con risoluzione pari a quella corrispondente ad un antenna reale di 16 km. Figura Disegno del satellite europeo ERS-1 Figura Immagine SAR del golfo di Napoli ottenuta elaborando i dati acquisiti dal satellite europeo ERS-1 orbitante ad 800 km di altezza Le caratteristiche delle immagini digitali Una delle peculiarità del telerilevamento è la visione sinottica di ampie porzioni del territorio: i dati telerilevati, in particolare quelli derivati da acquisizioni degli strumenti detti scanner, sono organizzati infatti in immagini digitali. Se guardiamo più in dettaglio un immagine telerilevata ripresa con strumenti digitali, ci accorgiamo che essa corrisponde a una matrice di elementi discreti detti pixel (picture element), ogni pixel è rappresentato da tre valori: due coordinate, riga e colonna (ij), che determinano la posizione del pixel all interno dell immagine e il numero indice. Quest ultimo è un numero intero che rappresenta il valore di radianza misurato per una cella di risoluzione (in una scena è la più piccola area valutata come fonte unitaria di dati). Quanto più piccola è la cella di risoluzione a terra, cioè quanto più piccolo è il pixel, maggiori sono i dettagli contenuti nell immagine. Le caratteristiche intrinseche delle immagini digitali dipendono dalle caratteristiche dei sensori e delle piattaforme che hanno acquisito i dati, a queste caratteristiche diamo il nome di risoluzioni. 41

19 Telerilevamento Figura L immagine dell Italia acquisita dai satelliti NOAA, con risoluzione di 1,1 km, quando viene ingrandita perde di risoluzione, sono infatti visibili i singoli pixel. La pianura Padana, nel riquadro in basso, appare più grande ma con una definizione molto peggiore rispetto all immagine del riquadro sovrastante. Risoluzione geometrica o spaziale. La risoluzione geometrica o spaziale delle immagini esprime le dimensioni della più piccola area rilevabile. Per i satelliti la dimensione dell area risolta al suolo varia da una dimensione nell ordine di grandezza dei metri (0,75 m per Quickbird, 1 m per l Ikonos, 30 m per il TM), fino a qualche chilometro (2,5 km per il Meteosat). La dimensione del pixel influisce sulla riproduzione dei dettagli della scena ed é determinata dall altezza del sistema di ripresa e dalle sue caratteristiche di funzionamento, in particolare dall angolo di vista del sensore che determina l area-impronta sulla superficie terrestre vista, detta anche IFOV (Instantaneous Field Of View). Un oggetto, quindi, per poter essere distinto nell immagine, deve avere una dimensione uguale o maggiore rispetto alla risoluzione del sistema. Risoluzione radiometrica. La risoluzione radiometrica di un immagine rappresenta la capacità di discriminare piccole differenze, ovvero la minima differenza d intensità che un sistema può rilevare tra due valori di energia raggiante, cui corrispondono livelli di informazione registrata e livelli di grigio nell immagine. Questa viene tradotta in numeri interi DN (Digital Numbers) che possono variare a seconda del numero di bit usati nell acquisizione. Perciò se un sensore usa 8 bit per registrare i dati, conseguentemente si avranno a disposizione 2 8 =256 valori per rappresentarne il risultato, mentre se lo strumento usasse solo 4 bit l intervallo a disposizione sarebbe di 2 4 =16 valori e conseguentemente la risoluzione radiometrica risulterebbe assai inferiore. Le immagini sono generalmente rappresentate in toni di grigi con il nero corrispondente ai valori minimi di radianza e il bianco ai massimi. Va tenuto conto del fatto che la diminuzione di sensibilità radiometrica implica di fatto un aumento di contrasto nell immagine (minori livelli di grigio) e quindi, entro certi limiti di rappresentazione, può migliorare il suo aspetto e la capacità di lettura da parte dell interprete, mentre in termini quantitativi conterrà ovviamente un numero inferiore di informazioni. Dal confronto di due immagini identiche ma con risoluzioni radiometriche differenti si possono verificare i diversi contenuti e leggibilità. Risoluzione temporale. Un altro aspetto da considerare, soprattutto per il Telerilevamento satellitare, é la risoluzione temporale, ovvero l intervallo Figura Sono qui messe a confronto diverse immagini acquisite da differenti sensori sulla stessa zona, cioè una porzione del lago di Garda, come mostrato dalla prima figura a sinistra. 42

20 Capitolo 3.2 Figura Il centro storico della città di Roma ripreso dal satellite IKO- NOS. Le due immagini differiscono per la sola gamma dei grigi e quindi simulano due diverse risoluzioni radiometriche: normale (a) e ridotta (b). Dalla semplice visione ci si rende conto come nei due casi vi siano grosse differenze nella capacità di evidenziare i dettagli; l effetto della riduzione dell intervallo dinamico, infatti, causando di fatto un aumento di contrasto, se da una parte implica una riduzione della quantità di informazione, dall altra aiuta l occhio a meglio leggere le grosse differenze tra gli oggetti principali della scena con cui un sistema ripassa sulla stessa area della superficie terrestre. Tale intervallo può variare dai pochi minuti dei satelliti geostazionari, come il ME- TEOSAT, alle poche ore del NOAA fino ai 26 giorni dello SPOT. La possibilità di riprendere esattamente la stessa area della Terra ad intervalli regolari di tempo, e di conseguenza di poter confrontare immagini acquisite in momenti differenti, consente di effettuare studi di tipo dinamico per seguire i cambiamenti di un territorio o seguire l evoluzione di un fenomeno, soprattutto su scala globale, caratteristica questa fra le più significative del Telerilevamento. Risoluzione spettrale. Come abbiamo visto, ogni oggetto ha una sua firma spettrale : cioè il suo comportamento si diversifica al variare della lunghezza d onda e la risposta in termini di radianza risultante lo identifica univocamente, proprio come nel caso di un impronta digitale. Per questo motivo il Telerilevamento si basa sulla cosiddetta indagine multispettrale che, andando ad esplorare piccole porzioni dello spettro elettromagnetico, o bande, migliora sensibilmente le possibilità di riconoscimento delle superfici rilevate. L immagine multispettrale é quindi una matrice numerica a più dimensioni, ognuna delle quali descrive la scena osservata in una specifica banda spettrale. In teoria, maggiore é il numero delle bande spettrali utilizzate maggiore sarà, a parità delle specifiche del sistema utilizzato, la capacità di indagine, e quindi la risoluzione spettrale del sensore. Per esempio, i sensori iperspettrali operano mediante centinaia di bande e la loro alta risoluzione spettrale permette quindi una più facile distinzione di superfici con comportamenti spettrali simili. I sistemi a bordo dei satelliti per il Telerilevamento operano mediante un numero variabile di bande, o canali, in genere da 4, come nel caso dei satelliti SPOT a 7, come per i satelliti della serie Landsat. Le bande di questi satelliti sono distribuite sull intera regione dello spettro elettromagnetico che va dal visibile all infrarosso termico (solo il LANDSAT). I grafici che seguono aiutano a capire il concetto di risoluzione spettrale mostrando gli intervalli e il numero di bande in cui operano alcuni comuni sensori a confronto con la firma spettrale della vegetazione acquisita a terra con uno spettroradiometro nell intervallo dell energia riflessa nm e con una sensibilità spettrale di un nanometro. In tal Figura Il satellite METEOSAT, acquisisce immagini della stessa porzione di territorio ogni 15 minuti. A fianco sono mostrate 4 immagini relative alla zona dell Africa del nord e dell Europa. 43

21 Telerilevamento modo si ottiene una caratterizzazione del comportamento delle superfici pressoché continua. Ovviamente i sensori posti su aereo oppure su satellite, per motivi strutturali e costruttivi, dispongono di un numero di bande più limitato e differenziato rispetto agli obiettivi della missione. Non è possibile, costruire un sensore che acquisisca immagini a massima risoluzione geometrica, spettrale e radiometrica contemporaneamente. Infatti per ottenere immagini di radianza rappresentative della realtà a terra occorre che il segnale di radianza registrato dal sensore sia molto maggiore rispetto al rumore strumentale, cioè una qualsiasi variazione del segnale dovuta a fattori che non siano l oggetto di studio. Immaginiamo, infatti, di avere a disposizione un sensore ad alta risoluzione geometrica. Tali sensori sono caratterizzati da un piccolo angolo di vista IFOV (Instantaneous Field of View), il qual fatto comporta la visione di una piccola porzione di suolo e conseguentemente verrà raccolta una piccola quantità di energia. Per aumentare la quantità di energia che riceve il sensore è necessario diminuire la risoluzione spettrale oppure quella radiometrica. Nel primo caso ci si accontenterà di bande piuttosto larghe, come nel caso dei sensori pancromatici, solitamente operanti in una banda unica che include tutto il visibile e parte del vicino infrarosso, nel secondo si ridurrà la capacità di distinguere lievi differenze di grigio e quindi di radianza. Nel caso contrario, invece, qualora si voglia, ad esempio, un alta risoluzione spettrale ci si dovrà accontentare di una risoluzione geometrica bassa, come nel caso degli strumenti multi e iperspettrali. Si può perciò capire come nella progettazione di un sensore si debbano bilanciare queste tre caratteristiche in funzione degli obiettivi, del tipo di superfici da indagare e delle caratteristiche operative di rilevamento. Figura Il sensore MIVIS opera nel dominio dell energia riflessa mediante tre differenti spettrometri in 92 bande distribuite come in figura. Figura Le immagini rilevate nella banda pancromatica dell ETM+ hanno una risoluzione di 15 metri al suolo: due volte più precisa di quella dello stesso sistema in modalità multispettrale. La larghezza di banda è però più ampia. Figura Il sensore ETM+ montato sul Lansat-7, che opera ad una distanza di 705 km, é uno strumento multispettrale che misura l energia riflessa in 6 bande distinte, con ampiezza maggiore; le immagini TM coprono, però, una porzione di territorio molto più estesa con una risoluzione geometrica di 30 m. Figura Le tre risoluzioni di un immagine: un compromesso ai fini dell ottimizzazione del risultato. 44

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