Rappresentazione in falsi colori del territorio piacentino con immagini satellitari.

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1 Amministrazione Provinciale di Piacenza Area Programmazione territoriale Infrastrutture - Ambiente Ufficio di Staff Supporto alla Pianificazione e alla Progettazione Via Garibaldi, PIACENZA Rappresentazione in falsi colori del territorio piacentino con immagini satellitari. Paolo Lega, Amministrazione Provinciale Stefano Oliveri, CNR-IRRS Milano Rapporto interno n. 108/00 Settembre 2000 Premessa. Le immagini satellitari ottiche della superficie terrestre risultano particolarmente efficaci nel fornire una rappresentazione di insieme del territorio, in cui sia possibile discriminare con immediatezza le differenti tipologie di oggetti presenti. Ampiamente utilizzate a questo scopo sono tuttora le riprese dei sensori Thematic Mapper a bordo dei satelliti Landsat (Landsat5 e Landsat7) che forniscono una risoluzione geometrica al suolo di 30 m. ed una risoluzione radiometrica di 7 bande nello spettro visibile e nell infrarosso: la buona risoluzione radiometrica consente di esaltare alcune caratteristiche particolari della superficie, che differenziano gli oggetti presenti, associandole ad ognuno dei colori di una rappresentazione policroma. Poiché ogni colore può essere ottenuto dalla somma dei 3 colori fondamentali rosso-verde-blu (sintesi additiva o composizione RGB) o dalla sottrazione dal bianco dei 3 fondamentali ottenendo la terna ciano-magenta-giallo (sintesi sottrattiva o CMY), si possono così ottenere delle rappresentazioni in tricromia (più diffuso il sistema RGB) in cui ad ogni colore è associata una immagine ripresa in una particolare banda dello spettro, o una particolare elaborazione digitale di immagini diverse, in modo tale che ognuno dei tre colori fondamentali esalti una particolare caratteristica della superficie, evidenziandone le differenze. Queste rappresentazioni vengono anche chiamate in falsi colori in quanto per lo più non associano al rosso, verde e blu i corrispondenti colori naturali degli oggetti rappresentati. Attualmente sono operativi 2 satelliti della serie Landsat, il Landsat 5 e il Landsat 7 messo in orbita nel Il Landsat 5 monta a bordo un sistema di ripresa denominato Thematic Mapper (TM) che esegue una scansione della superficie in 7 diverse bande dello spettro elettromagnetico: la Banda 1 corrispondente al blu ( µm), la 2 corrispondente al verde ( µm), la 3 corrispondente al rosso ( µm), la 4 relativa all infrarosso vicino ( µm), la 5 relativa al primo infrarosso medio ( µm), la 6 relativa all infrarosso termico ( µm) e la 7 relativa al secondo infrarosso medio ( µm).; la risoluzione geometrica al suolo nelle bande 1-5 e 7 è di 30 m., mentre nella banda 6 (termica) è di 120 m.; l ampiezza della striscia di ripresa al suolo è di 185 km, e l intervallo di ripetizione è di 16 giorni. Nel 99 è diventato operativo il Landsat 7, che monta un sistema di ripresa migliorato (Enhanced Thematic Mapper Plus, ETM+), con il quale risulta disponibile una ottava banda pancromatica con 15 m. di risoluzione al suolo, mentre la banda 6 (infrarosso termico) presenta una risoluzione geometrica migliorata a 60 m.; le sue caratteristiche orbitali sono le medesime del LS5, rispetto al quale ha una sfasatura di volo di 8 giorni. 1

2 In ragione della scarsa risoluzione geometrica (30 m. di pixel), la restituzione di immagini Landsat del territorio può essere eseguita ad una scala 1: o al massimo 1:50000, mentre a scale inferiori si inizia a notare la geometria dei singoli pixel. Materiali e metodi. La semplice identificazione dell acqua può essere fatta con una certa facilità nel vicino infrarosso ( µm) dove la sua riflettanza è bassissima e pertanto essa appare di colore scuro; l acqua comunque assorbe quasi tutta l energia incidente nel vicino e medio infrarosso e pertanto una sua rappresentazione nelle bande TM 4, 5 e 7 la raffigura comunque in colore scuro o nero; nel campo visibile la sua riflettanza è determinata dall influenza di più fattori quali la profondità, il tipo e il colore dei materiali sul fondo in caso di trasparenza e di bassa profondità, e dai solidi sospesi nel corpo idrico. La vegetazione ha un comportamento spettrale specifico alle diverse lunghezze d onda, producendo una sua firma caratteristica: il suo andamento è regolato nelle bande del visibile soprattutto dal contenuto e dal tipo dei pigmenti fogliari, nel vicino e medio infrarosso dalla struttura fogliare e dal contenuto di umidità dei tessuti. La clorofilla in particolare determina l assorbimento nel blu e nel rosso e una buona riflessione nel verde, da cui il colore verde e giallo dominante della vegetazione; la struttura fogliare è responsabile di una riflessione elevata dell energia incidente nell infrarosso vicino, tra 0.7 e 1.35 µm, da cui il suo colore chiaro e brillante nella banda TM 4. Nell infrarosso medio, tra µm corrispondenti alle bande TM 5 e 7, le proprietà spettrali della vegetazione dipendono strettamente dal contenuto in acqua della foglia. La riflettanza dei suoli nudi aumenta con la lunghezza d onda nel campo visibile ed infrarosso, e dipende da una molteplicità di fattori, tra cui il contenuto di sostanza organica, la presenza di ossidi metallici e di sali, il contenuto di umidità, la tessitura, la struttura, la morfologia. In particolare il contenuto di sostanza organica umificata è determinante per il colore: la materia organica aumenta in modo caratteristico la riflettanza dei suoli nell intervallo µm, corrispondente al rosso, banda TM 3; l umidità dei suoli ha invece un forte effetto diretto sulla riflettanza nelle bande caratteristiche di assorbimento dell acqua, le TM 4, 5 e 7. Gli edifici e le infrastrutture hanno un comportamento spettrale che dipende strettamente dalle caratteristiche fisiche e chimiche dei materiali costitutivi e di copertura: asfalto, cemento, tegole, coppi, lamiere, ecc. Ogni materiale ha un comportamento caratteristico; ma in generale questi materiali hanno una riflettanza nel blu (soprattutto) e nel rosso superiore a quella della vegetazione, mentre nell infrarosso vicino (banda TM 4) la loro riflettanza è mediamente inferiore. La scelta delle 3 bande da rappresentare in falsi colori in una sintesi RGB determina dunque le caratteristiche della superficie che si vogliono evidenziare e differenziare; in generale la scelta del colore da assegnare ad una banda spettrale è arbitraria, anche se esistono alcune combinazioni entrate ormai nell uso comune; inoltre è possibile e utile associare ad un colore non solo una immagine originale relativa ad una determinata banda, ma anche una particolare elaborazione numerica su quella o su più immagini. Gli esempi che si riportano di seguito sono stati realizzati con il software Ermapper ver. 6.01, utilizzando l immagine Landsat-5 TM, scena del , quarto floating centrato sulla Provincia di Piacenza, acquisita da Telespazio e opportunamente rettificata e georeferenziata; su ogni banda dell immagine è stata eseguita una trasformazione dell istogramma di frequenza per migliorare la luminosità e il contrasto. Gli esempi considerati sono i seguenti: a - Composizione RGB delle bande TM E la rappresentazione di riferimento, in colori naturali o pseudo-naturali, in cui cioè al rosso, verde e blu della sintesi corrispondono i colori 2

3 naturali ricavati dalle corrispondenti 3 bande TM del visibile; l effetto è chiaramente di tipo fotografico, con la vegetazione in verde e il terreno tra il beige e il marrone; le strutture edificate hanno un tipico colore tendente al rosso nelle aree residenziali (coppi, tegole) e al biancoazzurro in quelle industriali (cemento, eternit, lamiera); sabbie e ghiaie sono bianche (massima riflettanza nelle 3 bande del visibile) e l acqua del Po presenta un caratteristico colore verde in funzione del materiale sospeso presente. La distinzione tra terreno nudo e strutture edificate non è immediata, così come quella tra acqua del fiume e vegetazione; difficili da rilevare anche le differenze all interno della vegetazione e del terreno; inoltre i toni più chiari della vegetazione si confondono con i toni più chiari del terreno. Un ritaglio centrato ad Est della città di Piacenza è riportato in fig. 1. b - Composizione RGB delle bande TM E la tipica rappresentazione in falsi colori eseguita da immagini Landsat. Al rosso è associato l infrarosso vicino, al verde la banda TM 3 cioè il rosso, e al blu la TM 2 e cioè il verde: come risultato la vegetazione, più riflettente nella TM 4, appare in rosso, il suolo scoperto appare in verde - azzurro, l edificato in azzurro più scuro, l acqua in nero. Il contrasto tra vegetazione e suolo ora appare più marcato, mentre il contrasto tra suolo e strutture edificate è debole; per contro vengono evidenziate le differenze all interno della vegetazione, dove in particolare la vegetazione arbustiva e arborea tende al magenta e al marrone. Un ritaglio centrato ad Est della città di Piacenza è riportato in fig. 2. c - Composizione RGB delle bande TM Rispetto alla precedente, la banda TM 4 viene ancora rappresentata in rosso, mentre la TM 5 va sul verde e la TM 3 sul blu: la vegetazione risalta dunque ancora in rosso - arancio, il terreno ora è evidenziato in azzurro con tendenza al verde, l edificato appare in blu e l acqua sempre in nero. Rispetto alla si conserva il contrasto tra vegetazione e suolo, ma si migliora la differenziazione interna alla vegetazione (magenta - rosso - arancio); l edificato e le infrastrutture spiccano ora più chiaramente in blu. Un ritaglio centrato ad Est della città di Piacenza è riportato in fig. 3. d - Composizione RGB delle bande TM La TM 4 è qui messa sul verde della composizione RGB, e pertanto la vegetazione compare in toni di verde; il suolo nudo appare in rosso - rosa, l edificato e le infrastrutture in blu - viola e l acqua in nero. Questa combinazione offre una visione più naturale della vegetazione (verde), esaltandola rispetto al suolo nudo; ben evidenziati anche strade e centri urbani, in virtù dell inserimento della banda TM 1 sul blu. Un ritaglio centrato ad Est della città di Piacenza è riportato in fig. 4. e - Composizione RGB delle bande TM Costituisce una variante della precedente, con una minore variabilità della riflettanza nella banda 7 rispetto alla 5. Anche in questa composizione la vegetazione appare in toni di verde, il terreno in rosso - rosa, l edificato in blu - viola e l acqua in nero.. Un ritaglio centrato ad Est della città di Piacenza è riportato in fig. 5. f - Rappresentazione in colore di una singola banda. Questo tipo di rappresentazione contiene ovviamente meno informazione delle precedenti, ma può essere molto efficace nell evidenziare la presenza di un particolare tipo di copertura della superficie: caratteristica ad es. è la rappresentazione della banda 4 (infrarosso vicino) con il contrasto opportunamente stirato, per esaltare la presenza della vegetazione; un es. di rappresentazione della banda 4 in colore su di una tavolozza dal rosso (valori più elevati) al blu (valori più bassi) attraverso il giallo e il verde è riportato in fig. 6 Dagli esempi riportati si può notare come ogni tipo di rappresentazione consente di evidenziare particolari aspetti dell immagine o particolari tipologie di coperture del terreno, e ciò risulta ancor più evidente su immagini riprese in condizioni atmosferiche diverse. In particolare per l immagine qui considerata si può notare che nella composizione RGB delle bande TM si ha una migliora separazione cromatica dell area urbana che appare in colore blu scuro e si differenzia maggiormente dal suolo nudo dell area agricola; anche nelle altre rappresentazioni tuttavia si nota come l impiego delle bande infrarosse rende il risultato finale 3

4 molto più efficace nella separazione dei tipi di copertura rispetto alla rappresentazione delle 3 bande del visibile in colori naturali. Bibliografia. 1. Gomarasca M. A., Introduzione a telerilevamento e Gis per la gestione delle risorse agricole e ambientali., CNR, Milano Richards J. A., Remote sensing digital image analysis., Springer Verlag

5 Fig. 1 Città di Piacenza e pianura NE; immagine Landsat5-TM, scena del Composizione RGB delle bande TM321. 5

6 Fig. 2 - Città di Piacenza e pianura NE; immagine Landsat5-TM, scena del Composizione RGB delle bande TM432. 6

7 Fig. 3 - Città di Piacenza e pianura NE; immagine Landsat5-TM, scena del Composizione RGB delle bande TM453. 7

8 Fig. 4 - Città di Piacenza e pianura NE; immagine Landsat5-TM, scena del Composizione RGB delle bande TM541. 8

9 Fig. 5 - Città di Piacenza e pianura NE; immagine Landsat5-TM, scena del Composizione RGB delle bande TM741. 9

10 Fig. 6 - Città di Piacenza e pianura NE; immagine Landsat5-TM, scena del Rappresentazione in colore della banda TM4; rosso = valori alti, blu = valori bassi. 10