(De Leonibus) sezione immagini 1

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1 Università Tor vergata, Roma, Dipartimento Fisica corso di meterologia sinottica sezione immagini cenni di telerilevamento satellitare trattamento immagini interpretazione riproduzioni (De Leonibus) sezione immagini 1

2 Schema generale Sistema spaziale - Immagine - Informazione Immagine Scena/realtà Riproduzione/utente sezione immagini 2

3 Principi generali del telerilevamento Scena Rmin=50 Watt Rmax=150 Watt 60 Watt (40 C) Sistema di telerilevamento Radiometro Sensibilità (0,5mV) 10mV Discretizzazione Q=256,m=8 10mV! 20 Calibrazione Navigazione Tempo Riproduzione Foto grigio 40 C Sistema di ricezione e riproduzione Immagine sezione immagini 3

4 sezione immagini 4

5 sezione immagini 5

6 sezione immagini 6

7 Radiazione emergente dalla terra verso lo spazio La radiazione emergente è composta da quella riflessa ad onde corte proveniente dal Sole (visibile) e da quella ad onde lunghe proveniente dalla Terra (infrarosso). sezione immagini corso inforomatori meteo 7 7

8 20 C 20 C / 30 C sezione immagini corso inforomatori meteo 8 8

9 ! Finestre atmosferiche:! Riflettività (0,7µ 4 µ)! Emissione (10µ 12 µ)!fase dell acqua liquida /ghiaccio!concentrazione delle goccie!dimensione delle goccie!stato del mare!ombra/volume Temperatura apparente! Assorbimento atmosferico (400 hpa):! Concentrazione gas H2O (6µ 7µ) sezione immagini 9

10 esempio di canali - SEVIRI/MSG sezione immagini 10

11 esempio funzioni peso SEVIRI/MSG sezione immagini 11

12 Calibrazione Legge di Plank: da temperatura a radianza di corpo nero e viceversa B(T,!) Risposta spettrale dello strumento h(!) Legge di Kirkoff da radianza di corpo reale a radianza di corpo nero sezione immagini 12

13 calibrazione sezione immagini 13

14 calibrazione sezione immagini 14

15 Calibrazione IR, MW sezione immagini 15

16 Registrazione Geografica SCENA P(lat,lon) IMMAGINE P(i,j) RIPRODUZIONE. P(x,y) la esatta conoscenza della posizione del satellite rispetto la scena permette di associare un elemento dell immagine ad un (IFOV) di lat. lon. nota La proiezione geografica scelta riproduce in scala e con deformazione note i punti osservati (IFOV) sezione immagini 16

17 Campionamento sezione immagini 17

18 Risoluzione 1 Nel caso ideale di una grandezza f(x,y) continua e derivabile, che possieda una frequenza massima nota (frequenza di Niquist,!max) è possibile ricostruire la f(x,y) partendo dal suo campionamento, quando questo è operato per punti infinitesimi ed a frequenza (!cam) doppia di quella massima della grandezza stessa. sezione immagini 18

19 Risoluzione 2 Nel caso reale: La frequenza di campionamento limita la ricostruzione dei valori della grandezza a quelli corrispondenti alla metà della frequenza di campionamento (teorema di Shannon). Pertanto nella fase di ricostruzione della grandezza continua va applicato un filtro che fa passare solo le frequenze inferiori alla metà di quella del campionamento per evitare di ricostruire valori errati (rumore di aliasing). A ciò si aggiunge che il campionamento si opera per superfici (IFOV, limite della diffrazione dello strumento) che producono un effetto di convoluzione quando la loro dimensione è prossima al passo di campionamento. sezione immagini 19

20 Risoluzione 3 Risoluzione ottica limite della diffrazione (" min # D/$) IFOV = dx min = H*sen(d" min ) Risoluzione del campionamento (dx ) Dx min. = 2dx Limite di convoluzione dx = dx %A o (2dx ) /A r (2dx ) = 0. 6 dx = 2dx %A o (2dx )/A r (2dx ) = 0 Modul.Transf. Funct. = A o /A r sezione immagini 20

21 Risoluzione 4 IFOV (campo di vista) IFOV (campo di vista) IFOV (campo di vista) Risoluzione ottica (IFOV), campionamento IFOV IFOV IFOV IFOV (campo (campo di vista) (campo di vista) (campo di vista) di vista) Si può concludere che la risoluzione spaziale di un immagine è quella del campionamento sino a che questo è superiore o eguale all IFOV sezione immagini 21

22 Discretizzazione Varianza spiegata dalla scena R max - R min = DR (es. Temp. 100K) sensibilità / giustezza del radiometro = dr ( es. Meteosat 0,5K) numero massimo di intervalli possibili: Q = DR/dr (es. 200) di ampiezze a i con 1<i<Q tali che a 1 < a < a Q tali da introdurre un errore (&) equivalente alla sensibilità/giustezza strumentale (dr) rappresentazione del numero di intervalli in codifica binaria Q = 2 m (es. m=8, Q=256) rappresentazione dei valori numerici (es. m=8, 0<i<255) da ciò l equazione per il computo dei bit di una immagine di M righe, N colonne e Q livelli: #bit = M*N*m sezione immagini 22

23 Compressione Conservativa dinamica del pixel (ottimizzazione dei conteggi sulla varianza) spaziale (ripetizione del valore o della mantissa del pixel) Non conservativa deterministica (perde informazione senza introdurre rumore) statistica/probabilistica (perde informazione e può introdurre rumore/artefatti) sezione immagini 23

24 Originale sezione immagini 24

25 Ridotta del 20% sezione immagini 25

26 Ridotta del 50% sezione immagini 26

27 Ridotta del 60% sezione immagini 27

28 Ridotta del 80% sezione immagini 28

29 Ridotta del 90% sezione immagini 29

30 Ridotta del 99% sezione immagini 30

31 Trattamento spaziale risoluzione Risoluzione: considerata la risoluzione dell immagine e quella della rappresentazione bisogna adattare la prima alla seconda sezione immagini 31

32 Ingresso 1200x625 - Uscita 1024 x 768 nominali (640x480 reali) sezione immagini 32

33 Ingresso 1000x500 - Uscita 1024 x 768 nominali (640x480 reali) sezione immagini 33

34 Ingresso 800x400 - Uscita 1024 x 768 nominali (640x480 reali) sezione immagini 34

35 Ingresso 400x200 - Uscita 1024 x 768 nominali (640x480 reali) sezione immagini 35

36 Ingresso 200x100 - Uscita 1024 x 768 nominali (640x480 reali) sezione immagini 36

37 Trattamento spaziale rumore Rumore: considerando che un immagine abbia rumore di frequenze note è necessario prima di procedere alla sua rappresentazione applicare un filtro passa basso su tali frequenze. In genere è sufficiente applicare un operatore di media bilanciata 3x3 (smoothing) sezione immagini 37

38 Originale sezione immagini 38

39 Filtrato sezione immagini 39

40 Filtrato sezione immagini 40

41 Trattamento intensità 1 Considerata la dinamica dell immagine, e quella della rappresentazione bisogna adattare la prima alla seconda: nel caso di una riproduzione in bianco e nero di una immagine che abbia una dinamica di 256 livelli, si tenga conto che l uomo distingue su di una stessa scena non più di 16 livelli di grigio, quindi questa è la dinamica della rappresentazione. Pertanto la distribuzione dinamica dell immagine deve essere modificata per evidenziare l intervallo d interesse. sezione immagini 41

42 Trattamento intensità 2 Fasi basilari per la riproduzione. Identificare la varianza di uscita o livelli rappresentabili (256) e considerare quelli percepibili (16). Effettuare l istogramma dell immagine per identificare gli estremi di varianza d ingresso ( esempio 20 C e + 40 C, con 0,5 c di risoluzione per un totale di 120 livelli) Individuazione dell intervallo di varianza d interesse (qualora sussista una specifica esigenza: solo nubi) ed identificazione di ulteriori estremi di varianza d ingresso (-20 C e +10 C, che con 0,5 C di risoluzione danno 60 livelli) sezione immagini 42

43 Trattamento intensità 3 Stima della risoluzione lineare ottenibile sulla rappresentazione tramite il rapporto tra il livelli d ingresso e quelli percepibili sulla rappresentazione (30/15 = 2 C rispetto i 0,5 C dell immagine) Definizione della migliore funzione di corrispondenza tra varianza d ingresso e varianza di rappresentazione (retta, spezzata, parabola etc.) Le suddette operazioni possono realizzarsi in modo interattivo o tramite algoritmi automatici. sezione immagini 43

44 VIS In out sezione immagini 44

45 VIS In out sezione immagini 45

46 IR In out sezione immagini 46

47 IR In out sezione immagini 47

48 IR In out sezione immagini 48

49 Metodi d interpretazione delle riproduzioni informazioni esplicite che debbono essere presenti sulla rappresentazione!canale spettrale!tipo di contrasto / lookup impiegato!data e ora dell immagine ( time stamp )!Tipo di proiezione (satellite)!risoluzione potenziale (strumento/satellite)!risoluzione rappresentata ( compressione o no) sezione immagini 49

50 Metodi d interpretazione delle riproduzioni informazioni che debbono essere in possesso dell interprete!comportamento dell atmosfera al canale in esame (finestra / assorbimento)!modello fisico di propagazione (emissione, assorbimento, riflessione)!modelli concettuali per gli oggetti distinguibili ( tipi di nubi, nebbie, neve, etc. )!Modelli concettuali per l insieme di oggetti sulla scena ( fronti, conveyor belt, sistemi convettivi complessi, etc. ) sezione immagini 50

51 Campo di vista (IFOV) campionamento sezione immagini 51

52 Geometria oggetti! Forme! Bordi! Celle, strati, pennacchi! Netti/sfumati! Regolari,continui/frastagliati! Tessitura! omogenea,/disomogenea sezione immagini 52

53 ! Osservazioni Dati ausiliari meteo! Superficiali (campo di vista dal basso, osservazione di punto)! Quota (osservazione di punto)! Previsioni! Superficiali! Quota Grandezze diverse dalla radiazione sezione immagini 53

54 Fenomenologia meteo sezione immagini 54

55 Oggetti/fenomenologia! Nubi! Quota! Acqua/ghiaccio ( )! Strati (alti,medi,bassi) / nebbie ( , )! Convettive (cumuli e CB) , ! Cirri , ! Sabbia ! Ceneri! Nube vulcanica ! fumo incendi sezione immagini 55

56 Per ulteriore documentazione, esempi, modelliconcettuali ed interpretazione immagini, si rimanda al sito: