MINISTERO DELL ISTRUZIONE, DELL UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA

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1 MINISTERO DELL ISTRUZIONE, DELL UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI SERVIZIO PER LO SVILUPPO E IL POTENZIAMENTO DELLE ATTIVITÀ DI RICERCA (SSPAR) PNR (FIRB art.8) D.M. 199 Ric. Del 8 marzo 2001 Collana DIFFUSIONE E SPERIMENTAZIONE DELLA CARTOGRAFIA, DEL TELERILEVAMENTO E DEI SISTEMI INFORMATIVI GEOGRAFICI, COME TECNOLOGIE DIDATTICHE APPLICATE ALLO STUDIO DEL TERRITORIO E DELL AMBIENTE ERALDO AMADESI, GIOVANNI BANCHINI, PETRONIO MALAGOLI, GILMO VIANELLO

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3 MINISTERO DELL ISTRUZIONE, DELL UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI SERVIZIO PER LO SVILUPPO E IL POTENZIAMENTO DELLE ATTIVITÀ DI RICERCA (SSPAR) PNR (FIRB art.8) D.M. 199 Ric. Del 8 marzo 2001 Collana DIFFUSIONE E SPERIMENTAZIONE DELLA CARTOGRAFIA, DEL TELERILEVAMENTO E DEI SISTEMI INFORMATIVI GEOGRAFICI, COME TECNOLOGIE DIDATTICHE APPLICATE ALLO STUDIO DEL TERRITORIO E DELL AMBIENTE ERALDO AMADESI, GIOVANNI BANCHINI, PETRONIO MALAGOLI, GILMO VIANELLO

4 Copyright 2005 MINISTERO DELL ISTRUZIONE, DELL UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA Dipartimento per la Programmazione il Coordinamento e gli Affari Economici Servizio per lo Sviluppo e il Potenziamento delle Attività di Ricerca (SSPAR) PNR (FIRB art.8) D.M. 199 Ric. Del 8 marzo 2001 Collana: DIFFUSIONE E SPERIMENTAZIONE DELLA CARTOGRAFIA, DEL TELERILEVAMENTO E DEI SISTEMI INFORMATIVI GEOGRAFICI, COME TECNOLOGIE DIDATTICHE APPLICATE ALLO STUDIO DEL TERRITORIO E DELL AMBIENTE Volume 2. AEROFOTOGRAMMETRIA Autori: ERALDO AMADESI, GIOVANNI BANCHINI, PETRONIO MALAGOLI, GILMO VIANELLO

5 INDICE 2.1 PRINCIPI DI AEROFOTOGRAMMETRIA...PAG Telerilevamento da aereo...» Lo spettro elettromagnetico...» La ripresa aerofotogrammetrica...» Le pellicole per le riprese aerofotogrammetriche...» Il fotogramma...» Il fotoindice...» TECNICHE E METODI DI AEROFOTOINTERPRETAZIONE...» Informazioni preliminari sulle riprese aerofotografiche...» L occhio umano e la visione stereoscopica....» Lo stereoscopio...» Parametri della fotointerpretazione...» PRODOTTI AEROFOTOGRAFICI...» Stampe a contatto...» Ingrandimenti...» Raddrizzamenti...» Ortoproiezioni ( raddrizzamenti differenziali )...» Restituzioni...» APPLICAZIONE DELLA FOTOINTERPRETAZIONE: ESERCITAZIONI ED ESPERIENZE...» Effetto stereoscopico...» Realizzazione ed aggiornamento della cartografia di base...» Realizzazione di una carta della utilizzazione reale del suolo...» La lettura delle modificazioni del territorio mediante la fotografia aerea...» Realizzazione di una carta geomorfologica...» Realizzazione di una carta delle unità di paesaggio territoriale...» 36

6 Aerofotogrammetria 2.1 PRINCIPI DI AEROFOTOGRAMMETRIA L aerofotogrammetria rientra tra le tecniche di rilievo che vanno sotto il nome di telerilevamento da aereo e cioè di quelle metodologie di indagine che permettono di determinare, a distanza, il comportamento delle superfici indagate, impiegando come vettore di informazioni la radiazione elettromagnetica. Nato per scopi militari, il telerilevamento trova oggi importanti applicazioni nelle scienze della terra, nelle discipline agronomiche e forestali, nelle indagini ambientali, negli studi storico-archeologici ed urbanistici ed altro ancora. Per realizzare un rilievo fotogrammetrico di un determinato territorio è necessario che un vettore idoneo opportunamente equipaggiato, si alzi in volo per sorvolare la zona in oggetto; durante il volo, mediante una camera fotografica posta nella parte inferiore della carlinga, viene ripresa la superficie sorvolata, fissandola nei fotogrammi scattati in successione ad intervalli prestabiliti. Una volta a terra la pellicola viene sviluppata e stampata ed il risultato è costituito da una serie di fotografie che possono essere definite come la rappresentazione di una realtà ottenuta dalla interazione dell energia raggiante con l emulsione fotosensibile della pellicola. che permettono di raccogliere ed interpretare informazioni su oggetti posti a distanza sulla superficie terrestre usando come vettore di informazioni l energia elettromagnetica. La distanza di osservazione può variare da qualche metro fino a migliaia di chilometri. I rilievi vengono eseguiti infatti da terra (proximal sensing), ad altezze di metri, da aereo, ad altezze generalmente comprese tra 1,5 a chilometri e da satellite, ad altezze di Km fino a circa Km. Gli strumenti montati su aerei rilevano in modo uniforme vaste aree di territorio. Vengono studiati a distanza fenomeni relativi alla crosta terrestre (geologia), alle acque superficiali e profonde (idrografia e oceanografia), ai corpi nuvolosi (meteorologia), alla copertura e allo stato della vegetazione e allo studio dei centri abitati (urbanistica). Schematizzando (fig ), i sistemi di telerilevamento da aereo possono essere distinti in attivi e passivi e si compongono di quattro elementi; la sorgente di energia (A), la superfice osservata (B), il vettore con le apparecchiature di ripresa (C), un sistema di elaborazione posto generalmente a terra (D). Nei sistemi di telerilevamento passivi, la sorgente di energia (A) è rappresentata dal sole che irradia la superfice terrestre con una gamma continua di radiazioni elettromagnetiche che vanno dai raggi cosmici alle radio onde. Viceversa, nei sistemi at- Figura Rappresentazione schematica di una ripresa aerofotogrammetrica Telerilevamento da aereo In generale il telerilevamento (o remote sensing) è definito come l insieme di tecniche e strumenti Figura Schematizzazione degli elementi costituenti un sistema di telerilevamento aereo tivi, la fonte di radiazioni non è più rappresentata dal sole ma da altra sorgente come ad esempio il lampo di un flash o dal trasmettitore di impulsi di un radar. La superfice osservata (B) è rappresentata generalmente dalla superfice terrestre che, investita 4

7 Capitolo 2.1 dalla radiazione elettromagnetica, riflette od emette nuova energia in maniera diversificata a seconda della natura delle superfici stesse. Il vettore (C) è costituito da un aereomobile che può sorvolare la zona di indagine a quote variabili non superiori ai 15 chilometri. Su questi velivoli possono essere alloggiati gli strumenti di ripresa veri e propri; questi sono rappresentati da camere fotogrammetriche, sensori, apparecchiature scanner o radar, a seconda dei casi. Il sistema di elaborazione (D) è localizzato a terra e sostanzialmente comprende tutte le apparecchiature che consentono lo sviluppo, la stampa, la catalogazione delle fotografie o la elaborazione dei segnali raccolti dai sensori nel caso di immagini digitali. zioni e ed oggetti è possibile comprendere la natura e lo stato della superficie terrestre. L insieme continuo delle radiazioni, ordinato secondo la lunghezza d onda o la frequenza costituisce lo spettro elettromagnetico (Fig ). L occhio umano è sensibile solamente ad una piccola parte dello spettro, la cosidetta finestra del visibile che si estende da circa 0.4 a 0.7 micron e corrisponde all arcobaleno. Il visibile contiene tutti i colori che possiamo percepire. La luce del sole ci appare di colore bianco ma in realtà è composta da tutti i colori, ciascuno con frequenza caratteristica; per vedere questi colori si può usare un prisma di vetro che suddivide un raggio di luce nelle sue componenti cromatiche (Fig ) Lo spettro elettromagnetico Alla base del telerilevamento da aereo ci sono le radiazioni elettromagnetiche; il sole è la sorgente principale. Dai meccanismi di interazione tra radia- Figura La rifrazione della luce Figura Lo spettro elettromagnetico Quando la luce bianca colpisce un oggetto alcune frequenze vengono riflesse ed altre vengono assorbite; le frequenze riflesse determinano il colore degli oggetti. Se ad esempio predomina la frequenza del rosso, l oggetto ci appare rosso, se invece predominano le frequenze associate al verde ed al rosso, l oggetto ci appare del colore dato dalla combinazione di verde e rosso, il giallo. 5

8 Aerofotogrammetria Acqua, suolo e vegetazione hanno un comportamento spettrale caratteristico a diverse lunghezze d onda. La vegetazione, ad esempio, riflette nel verde e molto nell infrarosso, mentre assorbe nel blu e nel rosso La ripresa aerofotogrammetrica Per valutare la qualità di una ripresa aerofotogrammetrica si deve tenere conto della tipologia dell aeromobile, dell epoca e delle modalità della ripresa, delle caratteristiche della camera fotogrammetrica. Caratteristiche degli aeromobili. I principali requisiti che debbono presentare gli aerei impiegati per le riprese fotogrammetriche sono sostanzialmente i seguenti: - disporre dello spazio e di una o due aperture sul pavimento della carlinga per poter alloggiare una o due camere fotogrammetriche con l obiettivo rivolto verso il basso (foto zenitali); - possedere una buona stabilità di assetto ed una velocità di crociera costante, non troppo elevata, per evitare l effetto di trascinamento ossia la mancanza di nitidezza dell immagine causata dallo spostamento della camera durante l intervallo di apertura dell otturatore; - avere un equipaggio specializzato composto in genere da tre persone: il pilota, il navigatore, l addetto alla ripresa. Epoca di ripresa. Il momento ottimale per la realizzazione di una ripresa si verifica allorquando il cielo si presenta privo di nubi o di foschia, con assenza di ventosità e nelle ore a cavallo di mezzogiorno, condizioni queste tipiche del periodo estivo. In tale contesto infatti la visione della superficie terrestre risulta completa senza l interposizione di nubi che potrebbero mascherarne delle porzioni, l assenza di vento rende più agevole il volo del velivolo senza sbandamenti di rotta mentre il sole alto all orizzonte ottimizza l illuminazione della scena e riduce al minimo le ombre degli oggetti. È evidente comunque che le riprese possono essere effettuate anche in periodi diversi da quelli citati a seconda di vincoli inalienabili. Per esempio la ripresa in un terreno interessato da un evento franoso o di un territorio inondato dalla tracimazione di un fiume, deve essere effettuata al verificarsi dell evento. Modalità della ripresa. Attraverso una botola praticata nella parte inferiore della carlinga di un aereo, viene rivolto perpendicolarmente alla superficie terrestre l obiettivo di una macchina fotografica di grandi dimensioni (camera fotogrammetrica). Mano a mano che l aereo procede lungo una rotta rettilinea (linea di volo) ad una determinata quota e a velocità costante, viene realizzata una strisciata di scatti fotografici secondo una sequenza prefissata (fig ). Figura Ripresa aerofotogrammetrica Questa sequenza è tale per cui vi è un ricoprimento longitudinale del 60% (endlap) tra due fotogrammi successivi della medesima strisciata. Terminata la ripresa, l aereo inverte la rotta di 180 ed esegue una nuova ripresa a fianco di quella appena eseguita cercando di ottenere un ricoprimento laterale tra i fotogrammi di almeno il 20% (sidelap); in questa maniera viene garantita la copertura totale stereoscopica di tutta l area di rilievo (fig ). Ovviamente l aereo, durante le riprese, non dovrebbe subire eccessivi sbandamenti od inclinazioni, per non causare distorsioni e deformazioni dell immagine fotografica. 6

9 Capitolo Le pellicole per le riprese aerofotogrammetriche Le pellicole che si usano per le riprese aeree sono di quattro tipi: pancromatiche (sensibili a tutti i colori visibili) in bianco e nero o a colori; all infrarosso (sensibili alle emissioni di lunghezza d onda superiori a quelle del rosso), in bianco e nero o a colori (falso colore). La scelta tra i diversi tipi di supporto è dettata sia da ragioni di tipo tecnico che di tipo economico Figura Ricoprimento laterale tra strisciate contigue La camera fotogrammetrica. È una macchina fotografica molto complessa, di notevoli dimensioni (in media di 60x60x50 cm) e peso (da 70 a 100 kg). La macchina è dotata di un grande contenitore che può alloggiare pellicole lunghe fino a 120 metri, ed ha un sistema ottico con una lunghezza focale, in genere, di 150 mm; inoltre ha dei sistemi elettronici che comandano il tempo di scatto, l apertura del diaframma e l avanzamento della pellicola fotografica (fig ). Nei bordi che delimitano il campo cartografico sono ricavate delle tacche dette marche fiduciali che serviranno in fase di fotorestituzione per individuare il centro del fotogramma. Figura Schematizzazione di una camera fotogrammetrica Figura Spettro sensibile di vari tipi di pellicole e dispositivi ottico-elettronici Le pellicole pancromatiche in bianco e nero sono costituite da un unico strato di emulsione sensibile a tutte le lunghezze d onda del visibile e riproducono in toni di grigio ciò che è variamente colorato in natura. Sono più economiche delle pellicole a colori e si adattano a diverse tipologie di studi territoriali. La scarsa sensibilità di queste pellicole alla lunghezza d onda del verde ( micron) rende difficoltosa la discriminazione tra le diverse essenze vegetali e quindi ne sconsiglia l uso per studi a carattere vegetazionale. Le pellicole all infrarosso in bianco e nero sono costituite da un unico strato di emulsione sensibile alla radiazione visibile (che viene filtrata) ed infrarossa vicina. I diversi toni di grigio che appaiono su queste pellicole dipendono dalla emissione infrarossa delle diverse superfici indagate più che dalla colorazione delle stesse. Queste pellicole mettono in evidenza aspetti nascosti che ad occhio nudo non sarebbero apprezzabili; vengono impiegate con successo negli studi di carattere vegetazionale inquanto possono mettere in evidenza delle fitopatologie ancora prima che tali 7

10 Aerofotogrammetria manifestazioni siano visibili ad un esame esteriore. Una pianta ammalata infatti modifica il proprio spettro di emissione nel campo della radiazione infrarossa vicina e di conseguenza anche il tono di grigio sulla fotografia. Le pellicole pancromatiche a colori sono costituite da tre strati di emulsione sensibili rispettivamente alle lunghezze d onda del blu, del verde-giallo e dell arancio-rosso. Riproducono fedelmente con i medesimi colori gli oggetti rilevati; risultano di agevole lettura e si adattano a tutti i tipi di indagine; sono più costose delle pellicole in bianco e nero. Le pellicole all infrarosso a colori sono costituite da tre strati di emulsione sensibili rispettivamente al verde, rosso ed infrarosso vicino. In fase di sviluppo i colori vengono restituiti in maniera modificata così che la realtà indagata assume sulla foto colori non consueti; per tale motivo queste pellicole vengono anche definite falso colore. Anche queste pellicole vengono impiegate con successo negli studi di carattere vegetazionale sfruttando la diversa risposta fornita dalla vegetazione nel campo della radiazione infrarossa vicina. Figura Ripresa aerea della stessa area mediante quattro diversi tipi di pellicola. a) pancromatica in bianco e nero b) all infrarosso bianco e nero c) pancromatica a colori d) all infrarosso a colori In ascissa vengono riportati i valori di lunghezza d onda dello spettro del visibile (da o,4 a 0,7 micron) e dell infrarosso vicino (da 0,7 a 0,9 micron). In ordinata viene riportata la sensibilità della pellicola: più la curva di uno strato si allontanerà dall asse delle ascisse tanto maggiore risulterà la sensibilità Figura Curve sensimotriche di differenti pellicole: a) pancromatica in bianco e nero b) all infrarosso bianco e nero c) pancromatica a colori d) all infrarosso a colori o a falsi colori. 8

11 Capitolo Il fotogramma L immagine fotografica aerea o fotogramma ha un formato di 23x23 cm e cioè circa 60 volte più grande di quella del negativo che si ottiene con una comune macchina fotografica (24x36 mm). Ogni fotogramma presenta un margine sul quale sono riportate diverse informazioni; tale sezione prende il nome di data strip e contiene: - una livella sferica, per verificare la corretta posizione orizzontale dell aereo al momento dello scatto della foto. Nello stesso riquadro vengono generalmente riportati anche il numero della camera impiegata e la distanza focale dell obiettivo; - la data del volo; - un orologio, per il controllo dell ora di volo; - un altimetro, per il controllo della quota di volo (a volte la quota viene riportata in piedi); - la indicazione del lavoro; - numero della strisciata alla quale appartiene il fotogramma; - numero del fotogramma Il fotoindice Al fine di rendere più agevole l individuazione dei fotogrammi relativi ad un certo ambito di interesse, viene stilato un documento cartografico riassuntivo di riferimento denominato fotoindice; altro non è che un supporto di materiale indeformabile trasparente che viene sovrapposto ad una base topografica (in genere alle scale 1: e 1:25.000) e sulla quale sono disegnati i limiti delle aree interessate da ciascun fotogramma. Questi ultimi sono identificatati attraverso il numero della strisciata alla quale appartengono e da un numero progressivo specifico (fig ). Partendo dal presupposto che la copertura aerea presenti overlap pari al 60% e sidelap pari al 20%, sarà possibile calocolare con buona approssimazione il numero di fotogrammi necessari per coprire una data area conoscendo la superficie della zona da coprire (A) e la superficie coperta da ogni fotogramma (F) nella scala richiesta, secondo la formula: N (numero fotogrammi) = 4 x A/F Figura Esempio di datastrip riportato a margine di un fotogramma Oltre al data strip, all interno del fotogramma, compaiono delle tacche di forma particolare che prendono il nome di marche fiduciali che servono per determinare il punto centrale del fotogramma, necessario per impostare correttamente il modello stereoscopico in fase di fotointerpretazione. In altri casi, al posto delle marche fiduciali, sono riportati dei traguardi ai vertici del fotogramma che hanno il medesimo scopo. Figura Esempio di fotoindice di una copertura aerea della Regione Emilia-Romagna realizzato su supporto cartografico alla scala 1: su cui vengono riportati i limiti amministrativi comunali. I numeri presenti all interno di ciascun cerchietto stanno ad indicare le strisciate del piano di volo; ogni strisciata viene suddivisa in ambiti in progressione numerica corrispondenti ai fotogrammi 9