Immagini da satellite

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1 Groma 2. In profondità senza scavare TOPOGRAFIA PER L ARCHEOLOGIA 4.15 Barbara Cerasetti Dipartimento di Archeologia Immagini da satellite Università di Bologna Cap Definizione di telerilevamento Il termine telerilevamento indica l acquisizione a distanza di dati riguardanti il territorio e l ambiente, nonché l insieme dei metodi e delle tecniche per la successiva elaborazione e interpretazione. Il principio del telerilevamento si basa sulla capacità di differenziare il maggior numero possibile di elementi o oggetti sul territorio (suolo, vegetazione, acqua, urbanizzato, ecc.) compatibilmente con la loro risoluzione spaziale. Principi fisici e lo spettro elettromagnetico Qualunque superficie esterna di un corpo emette radiazioni elettromagnetiche proprie, mentre riflette, assorbe o si lascia attraversare dalle radiazioni elettromagnetiche provenienti dall esterno. È definito spettro elettromagnetico l insieme continuo delle onde elettromagnetiche ordinate secondo la loro frequenza, lunghezza o numero d onda. Le bande che interessano il telerilevamento sono espresse nell immagine seguente: Spettro elettromagnetico Quando l energia elettromagnetica emessa dal sole colpisce la superficie di un corpo opaco, questa viene in parte assorbita e in parte riflessa. Lo scopo del telerilevamento è riuscire a stabilire una corrispondenza tra la quantità e la qualità della energia riflessa e la natura o lo stato dei corpi o delle superfici dai quali proviene, a seconda delle varie lunghezze d onda. È questo il compito dell analisi spettrale e il significato di firma spettrale. Range spettrale mm (micron) Ultravioletto (UV) 0,01 0,38 LuceVisibile (V) 0,38 0,75 Infrarosso Vicino (VIR) 0,75 3,0 Infrarosso Medio (MIR) 3,0 6,0 Infrarosso Lontano o Termico (TIR) 6,0 20,0 Microonde (MW) 0,1 100 Risoluzioni degli strumenti La risoluzione geometrica al suolo delle immagini telerilevate è in relazione alle dimensioni dell area di cui si rileva l energia elettromagnetica. Un immagine telerilevata è costituita da elementi base denominati pixel. Data un immagine digitale, si definisce pixel ognuna delle superfici elementari minime che la costituiscono e ogni pixel è caratterizzato da due coordinate che individuano la sua posizione nell immagine (coordinate geografiche, cartesiane, ecc.). La dimensione al suolo dei pixel dipende dall altezza di ripresa e dalle caratteristiche del sensore e può variare da un metro fino a più chilometri. La dimensione geometrica al suolo dei pixel influisce sulla riproduzione dei dettagli della scena ed è determinata

2 4.15. Schede Varie tecniche per ottenere immagini telerilevate dalla distanza del sistema di ripresa, dalle sue caratteristiche di funzionamento, in particolare dal campo di vista istantaneo. Quindi, ad esempio, un pixel che ha una risoluzione al suolo di 1 m non individuerà oggetti più piccoli di 1 m, perché all interno di quel metro quadrato avrà gli stessi valori spaziali e cromatici. Stazioni di ripresa Le tecniche di telerilevamento possono essere applicate utilizzando strumenti montati su diversi tipi di postazione, dette anche piattaforme di osservazione. Tre sono i tipi di piattaforme generalmente intesi: - piattaforme satellitari: osservazione della superficie terrestre da distanze orbitali. Altezze comprese fra 200 km (Space Shuttle) e km (Meteosat); - piattaforme aeree: impiego di elicotteri e aeroplani che contengono la strumentazione. Altezze comprese fra i 300 e i m. Osservazioni di interesse locale. - piattaforme al suolo: il tipico esempio è costituito da un veicolo con un braccio elevabile di un altezza di circa 15 m su cui è montato lo strumento per la rilevazione. Le osservazioni da queste piattaforme servono per raccogliere immagini della superficie terrestre, per la taratura e la calibrazione delle immagini riprese da aereo e da satellite e, soprattutto, per correggere l effetto dell atmosfera. Interpretazione delle immagini da satellite: alcuni esempi I satelliti vengono impiegati per due scopi: civile e militare. Il telerilevamento da piattaforma satellitare nasce come scienza dell osservazione dello spazio esterno, ovvero per scopi civili, e solo successivamente come osservatorio terra con finalità unicamente militari. Tra i padri dei viaggi spaziali si ricorda Hermann Oberth ( ), il cui assistente, Wernher von Braun ( ), fu il principale fautore dei viaggi spaziali americani. I satelliti di uso civile comprendono applicazioni meteorologiche e applicazioni per le risorse terrestri. Il telerilevamento da satellite offre agli operatori impegnati nei problemi dell ambiente, delle risorse terrestri 269

3 Groma 2. In profondità senza scavare TOPOGRAFIA PER L ARCHEOLOGIA 270 e della pianificazione territoriale alcune opportunità non trascurabili, sia per l identificazione di oggetti, sia per la conoscenza di processi dinamici di superficie. Gli intervalli spettrali sono così definibili in base al loro uso: - 0,50-0,75 mm (pancromatico): con risoluzione geometrica almeno quattro volte superiore rispetto agli equivalenti canali multispettrali; - 0,45-0,52 mm (blu-verde): utilizzata per lo studio della trasparenza dell acqua a motivo della sua penetrazione nei corpi idrici; - 0,52-0,60 mm (verde): scelta per misurare il picco di riflessione della vegetazione alla lunghezza d onda corrispondente al verde; - 0,63-0,69 mm (rosso): banda fondamentale per la diversificazione tra le classi di vegetazione. Sono messi in evidenza i limiti fra zone vegetate e suoli nudi; - 0,76-0,90 mm (infrarosso vicino o fotografico): utilizzata per gli studi sulla biomassa e sulla quantità d acqua della vegetazione. In questa regione si registrano i valori massimi di riflessione della vegetazione; - 1,55-1,75 mm (infrarosso medio): la riflessione della massa fogliare è fortemente dipendente dal suo contenuto di umidità; la banda è utile per rilevare lo stress idrico della vegetazione legato alla turgidità fogliare; - 2,08-2,35 mm (infrarosso medio): scelta per la sua potenzialità nella differenziazione dei litotipi, in particolare in zone dove le rocce sono soggette ad alterazioni idrotermali; - 3,55-3,93 mm (infrarosso medio/ termico): per studi del vapore acqueo nel termico; molto influenzato dalla riflessione; - 10,4-12,5 mm (infrarosso lontano o termico): utilizzata per il calcolo dell evapo-traspirazione delle aree vegetate. Analisi multispettrale e multitemporale L analisi multispettrale consente di indagare un certo elemento in diversi intervalli di lunghezze d onda, caratterizzandolo rispetto a un altro e disegnando la firma spettrale. L elemento territoriale da rilevare può avere un comportamento spettrale diverso a seconda del momento in cui è osservato. Importante quindi diventa l uso di immagini multispettrali e multitemporali con l acquisizione di informazioni a diverse lunghezze d onda in stadi temporali differenti. La copertura nuvolosa è un ostacolo che impedisce ai sensori ottici di rilevare la risposta spettrale degli elementi che costituiscono o ricoprono la superficie terrestre. Pre-elaborazioni di base: correzioni geometriche e radiometriche delle immagini I dati raccolti necessitano di una fase di pre-elaborazione che serve a ovviare agli errori, rumore e distorsione, introdotti durante l acquisizione. Gli errori più importanti sono quelli geometrici e radiometrici: - le correzioni geometriche servono a eliminare le deformazioni introdotte dal sistema di ripresa. La posizione di ogni pixel osservato può essere individuata geograficamente. Gli errori geometrici più importanti che non consentono l esatta individuazione di tale posizione sono causati da: curvatura e rotazione della terra, variazioni di assetto e di altezza del satellite (che provoca un effetto di modificazione di scala), rifrazione atmosferica; - le correzioni radiometriche servono per eliminare l errore intro-

4 4.15. Schede Immagine multispettrale Landsat-TM5 a falsi colori da mosaico NASA dotto dal cattivo funzionamento dei sensori e l influenza dello strato di atmosfera interposto tra il sensore e la scena investigata. Tecniche di enfatizzazione La composizione a falsi colori classica è quella in cui le bande spettrali del verde, rosso e infrarosso vicino sono rappresentate rispettivamente in blu, verde e rosso. I filtri digitali consentono di estrarre dalle immagini elementi caratteristici di interesse. Un filtro passa-basso ha l effetto di ridurre il contrasto e di smussare i bordi, un filtro passa-alto esalta le zone in cui i valori subiscono bruschi cambiamenti. Una volta raccolti, corretti e migliorati i dati da satellite, si pone il problema di estrarre le informazioni che essi contengono. Una prima analisi è sicuramente quella di interpretazione visiva, adatta ai fini archeologici. Immagini ottiche: satelliti spia americani CORONA Il nome delle immagini CORONA deriva dal programma del primo progetto militare americano di ricognizione spaziale, approvato dal Presidente D.D. Eisenhower nel febbraio 1958 e fortemente incentivato in seguito all abbattimento da parte dei sovietici del ricognitore aereo spia U-2 con un missile terra-aria SA-2 nel L U-2 era un elemento chiave per l intelligence statunitense durante la Guerra Fredda nella raccolta di informazioni relative al divario missilistico fra gli Stati Uniti e l Unione Sovietica, e il vuoto nella captazione di informazioni fu colmato da questo nuovo progetto, gestito congiuntamente dalle agenzie CIA (Central Intelligence Agency) e USAF (United States Air Force) e operativo con successo dall agosto 1960 al maggio 1972, col risultato di oltre immagini stereoscopiche dallo spazio. Le immagini CORONA sono foto 271

5 Groma 2. In profondità senza scavare TOPOGRAFIA PER L ARCHEOLOGIA Dettaglio di un immagine pancromatica CORONA: fortezza di Garry Kishman, nel conoide alluvionale del fiume Murghab (Turkmenistan) 272 ottiche pancromatiche, con un iniziale risoluzione geometrica al suolo di 7,5-12 m (sistema a fotocamera singola), a una risoluzione finale di 2-3,5 m (sistema a due fotocamere panoramiche), sviluppate dalle pellicole periodicamente lanciate in una capsula dall orbita dal satellite e analizzate dal National Photographic Interpretation Center della CIA. Il primo satellite a realizzare immagini stereoscopiche del globo terrestre con una risoluzione di circa 8 m fu la missione CORONA 9031 del 27 febbraio 1962, dotata della fotocamera panoramica KH (KEYHOLE)-4. Con la decisione di declassificare il materiale, presa da Bill Clinton nel 1995, 610 km lineari circa di pellicole delle ricognizioni acquisite da CORONA sono ora disponibili per la comunità scientifica e accademica e commercializzate dall USGS (United States Geological Tipi di macchine fotografiche ottiche per riprese da satellite

6 Survey) dal La copertura fotografica delle immagini CORONA ha costituito una base fondamentale per la creazione della cartografia militare e civile durante la Guerra Fredda ( ). Il vantaggio di tali immagini è di essere precedenti ai vasti progetti agricoli, industriali e urbanistici che hanno interessato e trasformato la maggior parte della superficie terrestre negli anni Le immagini multispettrali: i satelliti Landsat La visibilità delle diverse tipologie di tracce al suolo dipende da numerosi fattori quali il tipo di vegetazione, le condizioni del terreno, la sensibilità della pellicola ecc. Per questa ragione l impiego di immagini multispettrali viene talvolta preferito a quello delle immagini ottiche, in quanto i sensori di cui sono dotati i satelliti sono in grado di agire contemporaneamente su una vasta gamma di lunghezze d onda differenti, molte delle quali sono maggiormente sensibili alle caratteristiche fisiche della vegetazione e del terreno dell occhio umano o della pellicola ottica. Tali sensori sono in grado di separare la radiazione elettromagnetica in un numero di lunghezze d onda vicine separate, da cui il termine multispettrale. Immagini di questo tipo possono spesso essere d aiuto nell evidenziare o distinguere le differenti caratteristiche sul terreno, grazie alla loro capacità di assorbire o riflettere la luce o il calore del sole. Inoltre, essendo in formato digitale, possono essere modificate mediante software appropriati e quindi più facilmente adattate all indagine che si vuole condurre e ai risultati che si vogliono ottenere. La classificazione multispettrale è indispensabile per leggere il suolo e le coperture sulla base delle proprietà di riflettanza, utilizzando anche le bande non visibili per l occhio umano, e può costituire un valido aiuto per la ricostruzione del paesaggio antropico antico, almeno in macro scala, in quanto fornisce informazioni paleoambientali. Tra queste ricordiamo le immagini Landsat-TM5 (Thematic Mapper), il cui satellite è attualmente operativo e, con una risoluzione geometrica al suolo di 30 m in luce riflessa, percorre un orbita quasi polare a 705 km di quota con passaggio all equatore alle 10:45 ora solare, ritornando sullo stesso punto ogni sedici giorni Schede 273 Sezione dello spettro elettromagnetico su cui operano le immagini Landsat

7 Groma 2. In profondità senza scavare TOPOGRAFIA PER L ARCHEOLOGIA Immagine Landsat-7 in colori naturali (area di Shahdad, Iran, 20/12/1999) Il satellite riprende immagini di 185 x 185 km al suolo in sette bande. Dall aprile 1999 sono disponibili i dati del satellite Landsat-7, che dispone di una nuova banda pancromatica con risoluzione di 15 m. Questo sensore pancromatico include il campo del visibile e arriva fino a coprire l infrarosso vicino, consentendo una migliore leggibilità dell immagine. Oltre all elevato contenuto spettrale, la larghezza elevata del campo di osservazione consente di coprire aree estese con poche scene. 274 Sch. 8.4 Il sistema radar: Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Il radar è un sensore attivo capace di attraversare livelli dell atmosfera costantemente perturbati e di rilevare la superficie terrestre anche in presenza di copertura nuvolosa. Rispetto ai sensori ottici, che utilizzano una sorgente di radiazione esterna, quale il sole, di cui ne misurano la porzione riflessa, il radar è costituito da un trasmettitore che emette un fascio di onde elettromagnetiche e da un ricevitore che misura l intensità della radiazione di ritorno diffusa dai corpi al suolo. Il radar ha numerosi vantaggi rispetto ai sensori ottici: - capacità ogni-tempo: è insensibile alla copertura nuvolosa e quindi può permettere rilievi multitemporali indisturbati; - complementarietà: il radar descrive generalmente la forma e la struttura tridimensionale degli oggetti, inoltre dà informazioni sul contenuto di umidità e della vegetazione, mentre i sistemi ottici rispondono al colore e alla temperatura degli oggetti; - penetrazione: le onde radar possono attraversare la copertura vegetale e dare informazioni sul contenuto di umidità del suolo al di sotto di essa; - sensibilità ai rilievi: il radar a visione laterale illumina obliquamente una certa fascia di territorio esaltando gli aspetti morfologici come rugosità e pendenza delle superfici.

8 4.15. Schede La Shuttle Radar Topography Mission, progetto internazionale condotto dalla NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) e dalla NASA (National Aeronautics and Space Administration), possedeva un sistema radar specialmente modificato situato a bordo dello Space Shuttle Endeavour durante gli undici giorni di durata della missione nel febbraio Tale missione ha ottenuto dati altimetrici a una scala tale e con una precisione verticale di circa 5 m, tali da poter generare il più completo database topografico digitale ad alta risoluzione del mondo. Mediante l impiego di queste immagini sono stati sviluppati metodi alternativi adatti a risolvere i problemi di oscuramento causato dall estendersi delle coltivazioni agricole, delle sabbie eoliche e delle strutture abitative moderne. Inoltre, attraverso l impiego di onde elettromagnetiche, è stato possibile rilevare il terreno con estremo dettaglio, consentendo di ottenere in tempo reale la radarstratigrafia del sottosuolo, trovando ottimi impieghi in terreni resistivi e aridi. Le immagini SRTM sono in grado di penetrare superfici ad alto livello di aridità o di vegetazione e di attraversare indisturbate l atmosfera, consentendo di operare anche in presenza di nebbia o nuvole, e di interpretare segnali che penetrano per alcuni metri al di sotto della superficie terrestre. I sistemi radar hanno un antenna che illumina lateralmente alla traccia di volo in modo da poter separare, in base al tempo di ritorno, gli oggetti presenti a diverse distanze. Le immagini da satellite rilevate nelle microonde hanno una risoluzione che raggiunge i 10 m, mentre i sistemi montati su aereo consentono di raggiungere risoluzioni molto più elevate. 275 Immagine SRTM del conoide alluvionale del fiume Murghab (Turkmenistan)