Dati telerilevati University of Pavia Remote Sensing Group

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1 Dati telerilevati

2 Dalla radiazione all immagine Se nel telerilevamento usiamo la radiazione elettromagne-tica, vuol dire che in qualche misura la misureremo, frequenza per frequenza, in modo da estrarne le informazioni sull oggetto che stiamo indagando. Ma come si ottengono, allora, delle immagini? E che cosa rappresentano, realmente? Cosa sono la potenza, l ampiezza, la fase e la polarizzazione? Come mai alcune immagini hanno falsi colori? E prima ancora, cosa sono i colori?

3 Ampiezza e potenza (energia) Si definisce ampiezza di un onda elettromagnetica il valore massimo che assume il campo elettrico dell onda La potenza di un onda elettromagnetica è l energia per unità di tempo trasportata da questa onda.

4 Fase e polarizzazione La fase di un segnale oscillante (come un onda) è l angolo calcolato su ogni periodo mediante la formula φ = 2π*t/T. La polarizzazione tiene conto del fatto che l onda è un campo elettromagnetico che oscilla. Tale campo può oscillare nel piano verticale (rispetto alla direzione di propagazione) ma anche in quello orizzontale.

5 L acquisizione dei dati Uno strumento (in genere) misura alcune proprietà dell onda elettromagnetica ricevuta Dati i problemi di propagazione dell atmosfera, si considerano solo 3 aree utili dello spettro. 1) Visibile / Infrarosso vicino e medio sensori passivi (camere fotografiche) misurano l energia del sole riflessa dalla superficie determinano la riflettanza dei materiali superficiali sensori attivi (LIDAR) misurano il tempo di ritorno inducono emissione per assorbimento 2) Infrarosso termico sensori passivi (camere termiche) 3) Microonde misurano l energia emessa, funzione della temperatura della superficie. sensori attivi (SAR) misurano l onda retroriflessa recuperano l informazione sulla diffusione/riflessione avvenuta sensori passivi (radiometri) misurano l energia emessa a lunghezze d onda dei centimetri

6 Immagini digitali? Una immagine è una matrice di numeri (interi, reali, complessi, ) Ad es., in questa figura, ogni quadrato rappresenta un elemento della matrice, ed ogni elemento della matrice assume un valore intero Se l immagine corrisponde a più misure (ad es. più frequenze), la matrice ha anche una terza dimensione: ad ogni quadrato è associata una pila di valori (un vettore).

7 Pixel Ogni elemento della matrice (immagine) prende il nome di pixel (picture element). Esso rappresenta un campione, riferito ad una posizione spaziale, della quantità misurata. La dimensione fisica del pixel è spesso mascherata, quando siguarda all immagine sullo schermo o in una stampa.

8 Quantizzazione Il segnale ricevuto è un segnale analogico (valori reali), campionato (preso solo in alcuni punti, dello spazio e/o del tempo). I valori sono immagazzinati assegnando loro un numero, identificativo del livello più vicino, in una scala di 2 N livelli. Ognuno di questi livelli è identificato da una combinazione univoca di N bit (valore 0 o 1). La legge di conversione non necessariamente è lineare. I livelli sono chiamati (per quanto sopra) numeri digitali (Digital Numbers, DN).

9 Quantizzazione (II) I DN possono essere ritrasformati in valori della quantità misurata, a meno di un errore di quantizzazione. E anche possibile recuperare parte delle informazioni perse nel campionamento, con tecniche di miglioramento delle caratteristiche di risoluzione. E comunque richiesta una calibrazione (conoscenza precisa legge di trasformazione tra il dato e la misura) e una quantizzazione inversa.

10 Caratteristiche di una immagine digitale Numero di righe e di colonne Range dinamico: differenza tra il valore massimo e il valore minimo Risoluzione spaziale: dimensione del pixel a terra, area rappresentata da un elemento della matrice nella realtà. Risoluzione spettrale: numero di bande (immagini) registrate e loro significato in termini di frequenze. Risoluzione di ampiezza: numero di bit utilizzati per la rappresentazione dei dati, ampiezza del minimo errore effettuato nella digitalizzazione della grandezza analogica misurata.

11 Sistema d immagine analogico Una pellicola di cristalli fotosensibili immagazzina l informazione sull intensità di radiazione incidente.

12 Come passare da un negativo a una immagine digitale? Scanner ottici Scanner digitali Digitalizzazione video

13 Uno scanner CCD documento Luce riflessa A/D Sorgente luminosa

14 Acquisizione diretta di dati digitali Qualunque sistema acquisisce i dati in via analogica (inizialmente). I sistemi digitali fanno semplicemente la conversione A/D al tempo dell elaborazione. Luce incidente Il converitore A/D trasforma il valore analogico in un Digital Number La lente focalizza sul CCD Il CCD trasforma l intensità di luce in impulsi elettrici

15 Sensori di linea Whiskbroom scanner visibile / NIR / MIR / TIR sensore che misura punto per punto con uno specchio rotante l immagine si costruisce mano a mano che lo specchio si muove Landsat MSS, TM

16 Problemi Strisce attraverso l immagine (dropout) Velocità variabile dello specchio (buffer degeneration)

17 Sensori di area Pushbroom scanner soprattutto visibile / NIR c è un array di elementi che acquisiscono contemporaneamente l immagine si costruisce riga per riga SPOT

18 Strisce lungo l immagine (dropout) Problemi

19 Importanza dei colori E chiaro che, all occhio umano, risulta più piacevole vedere un immagine a colori che una in bianco e nero. Ma qual è il significato per un immagine digitale? I colori rappresentano delle (bande di) frequenze: la presenza di più bande aiuta nella caratterizzazione di un materiale.

20 Somma di componenti + + = Assegnando un immagine ad ognuna delle tre componenti, si ottiene un immagine a colori. I diversi colori distinguono le diverse proporzioni tra le intensità nelle tre bande. Così, ad esempio, la parte in alto a sinistra dell immagine a destra appare azzurra perché la banda associata alla componente blu qui ha valori più alti delle altre due.

21 La visualizzazione in RGB Valore del pixel Colore Red Green Blue visualizzato Rosso Verde Blu Giallo Arancione Viola Bianco Grigio medio Nero

22 La palette dei colori Con tre bande, 8 bit per banda, ci sono 8 alla terza possibili combinazioni (milioni di colori ) Non sempre però tutti i colori sono utilizzati, e dunque a volte è possibile comprimere. A volte invece è necessario comprimere, nel qual caso si ha un ulteriore quantizzazione, que-sta volta sui colori. In questo caso, ci si riduce normalmente a 256 colori.

23 Sensori multispettrali Possono essere sia di linea che di area, come i sensori a singola banda. Comportano però una complessità più alta e una maggiore precisione negli elementi (ad es., planarità degli specchi, sfericità delle lenti, )

24 Sensori multispettrali Avendo più informazioni spettrali, si ottiene dunque una maggiore caratterizzazione dell assorbanza o della riflettanza di ogni oggetto nella scena, permettendo di distinguere meglio tra oggetti diversi: migliore identificazione e migliore distinzione

25 Problemi Più bande significa anche più dati da considerare, maggiori volumi di informazioni da trattare. Ci vogliono sistemi di memorizzazione di grande dimensione (spesso sui satelliti non ci stanno). Ci vogliono sistemi di trasmissione a larga banda (e stazioni a terra multiple, sempre in visibilità). Ci vuole una taratura multipla ed accurata. Molte bande, significa anche meno segnale per ogni banda, quindi ci vuole una elettronica più avanzata, per gestire il minor rapporto segnale/rumore del dato.

26 Formati dei dati Una immagine multispettrale su 7 bande a piena risoluzione tiene 300 Mb Ogni immagini radar multipolarizzazione tiene circa 600 Mb. Ogni giorno le scene riprese sono > 50. Attualmente, siamo già a più di un Terabyte di dati al giorno. Ogni satellite ha il suo proprio modo di archiviare i dati. E dunque importante: il formato dei dati la loro archiviazione (la possibilità di indicizzarli per contenuto) (la possibilità di estrarne parti e zone di interesse)

27 Formati più utilizzati per dati multibanda Il formato più utilizzato prevede un intestazione (header), con informazioni realtive al dato, seguito da una matrice di dati immagazzinati come byte, Interi con o senza segno (2 byte), floating point (4 byte), complessi o doppia precisione (8 byte). Quanto alle bande, si possono avere dati BSQ (Band Sequential): ogni immagine è una matrice BIL (Band Interleaved by line): le immagini sono scritte linea per linea nello stesso file, cioè linea 1 banda 1, linea 1 banda 2, linea 1 banda 3 (formato molto comune, usato da quasi tutti I programmi commerciali) BIP (Band Interleaved by Pixel): le immagini sono immagazzinate pixel per pixel, cioè pixel 1,1 banda 1, pixel 1,1 banda 2, pixel 1,1 banda 3

28 Intestazione (II) L intestazione può consistere di una serie di byte aggiunti nello stesso file prima dell inizio del dato vero e proprio Intestazione Dati oppure può consistere di un file distinto, che va distribuito insieme al file di dati al quale si riferisce. Intestazione Dati

29 Intestazione (III) ENVI, ad esempio, usa la seconda convenzione e marca il file di intestazione con l estensione.hdr, mentre il nome principale è lo stesso del file dati al quale l intestazione si riferisce. Nel formato CEOS, uno standard proposto dalla NOAA, il file di intestazione è chiamato leader file, e contiene oltre all organizzazione dei dati nel file pertinente anche i parametri di acquisizione più significativi.

30 Esempio di intestazione CEOS

31 Altri formati Ci sono molti formati per la compressione e la trasmissione delle immagini TIFF e GEOTIFF BMP, GIF JPEG (2000) MrSID Ci sono anche molti sistemi per rendere visibili in rete le immagini che avete (di solito accoppiate ad un GIS) Image server Web server

32 Formato raster o matriciale Le rappresentazioni di tipo raster dividono la zona osservata in matrici di celle alle quali sono poi assegnati degli attributi (i DN nel caso di immagini telerilevate). Un sistema di coordinate non ambiguo assegna ad ogni cella una coppia di coordinate geografiche, generalmente del centroide o di un angolo.

33 Formato vettoriale Un sistema basato sui vettori definisce e mostra gli elementi sulla base di coppie di coordinate cartesiane bidimensionali (cioè x ed y) e di algoritmi che operano sulle coordinate. Elementi basilari: Punto = nodo; Linea = congiungente due nodi, può essere un segmento od un arco od altra linea curva; Regioni; Ciascuno con i proprii attributi associati.

34 Raster o vettoriale? Ogni situazione reale può essere rappresentata in formato raster o vettoriale, ma quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle due rappresentazioni?

35 Vantaggi: Raster: pro e contro struttura dei dati più semplice Formato nativo dei dati telerilevati o scansiti (come le foto aeree numerizzate) semplicità delle procedure di analisi spaziale Svantaggi: maggiore necessità di memoria; pixel troppo grandi rendono un immagine sgradevole; è più difficile rappresentare le relazioni topologiche.

36 Vantaggi: Vettoriale: pro e contro minore necessità di memoria le relazioni topologiche sono facilmente integrate il prodotto grafico assomiglia di più alle mappe tradizionali Svantaggi: struttura dei dati più complessa. non immediatamente compatibile con i dati telerilevati SW ed HW sono spesso più cari alcune procedure di analisi spaziale possono essere più difficili sovrapporre più mappe vettoriali è spesso costoso in termini di tempo di elaborazione