Simulazione e valutazioni preliminari di immagini ottiche Pleiades Cosmo/Skymed nell ambito dei fenomeni franosi

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1 Simulazione e valutazioni preliminari di immagini ottiche Pleiades Cosmo/Skymed nell ambito dei fenomeni franosi P. Boccardo (1), E. Borgogno Mondino (2), M. A. Gomarasca (3), L. Perotti (4) (1) DIGET - Politecnico di Torino Professore Associato, (2) CNR-IREA, Milano, Assegnista di Ricerca, (3) CNR-IREA, Sezione di Milano Ricercatore, (4) CNR-IREA, Milano, Assegnista di Ricerca, Tema : TELERILEVAMENTO E RETI DI MONITORAGGIO AMBIENTALE Riassunto Nel quadro dell attuale Piano Spaziale Nazionale (PSN), l aspetto della valutazione delle potenzialità applicative delle future missioni spaziali (nazionali ed internazionali) in cui l ASI (Agenzia Spaziale Italiana) risulta coinvolta, costituisce una priorità. In accordo con gli indirizzi dati dal PSN, l ASI ha reiterato per la seconda volta un finanziamento all unità di ricerca congiunta, costituita dall Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell Ambiente del CNR (CNR-IREA), Sezione di Milano e dal Dipartimento di Georisorse e Territorio (DIGET) del Politecnico di Torino, per un progetto relativo alla simulazione e valutazione di immagini digitali ottiche acquisite nel prossimo futuro dalla costellazione satellitare COSMO/SkyMed (Constellation of Small satellites for the Mediterranean basin Observation). Il progetto è rivolto in particolare alla definizione di limiti e potenzialità di tali immagini nell analisi ambientale sui dissesti idrogeologici, con particolare attenzione all aspetto dei movimenti franosi. La costellazione COSMO/SkyMed è un progetto satellitare per l osservazione della Terra, concepito per fornire prodotti, servizi e logistica ad utenti istituzionali e commerciali. Il primo satellite dotato di sensore ottico dovrebbe essere lanciato entro il Considerando gli enormi investimenti richiesti da un progetto di questo tipo, risulta evidente la necessità di conoscere, in fase progettuale, quelli che possono essere i risultati in termini di immagini rilevate e le loro caratteristiche geometriche, radiometriche e spettrali necessarie all utilizzo finale. A questo scopo sono state simulate immagini, secondo le specifiche previste, sulla base delle quali sono state condotte prove di ortoproiezione al fine di valutarne la qualità geometrica e le potenzialità cartografiche. In questa fase sono stati utilizzati dati provenienti da piattaforme aeree e satellitari aventi a bordo sensori con caratteristiche simili a quelli previsti per le piattaforme Pleiades/COSMO/Skymed. Sulle immagini simulate sono state quindi condotte verifiche per possibili applicazioni in campo ambientale ed è stata implementata una metodologia preliminare di riconoscimento e analisi dei movimenti franosi finalizzata alla generazione di carte di censimento numerico e strutturale dei fenomeni e di carte di rischio. Sulla base delle caratteristiche delle immagini sono state inoltre delineate linee di studio futuro volte prevalentemente alla restituzione della terza dimensione spaziale su coppie stereoscopiche di immagini satellitari. Abstract Italian PSN (National Spatial Program) is strongly aimed to the evaluation of the operational potentialities of the data coming from the future space missions (national and international) which ASI (Italian Space Agency) is involved in. According to PSN guide-

2 lines, ASI has reiterated for the second time, a grant for a research collaboration between the Italian National Research Council (CNR) IREA (group of Milan) and the Dipartimento di Georisorse e Territorio (DIGET) of Politecnico of Torino. Research project is directed to the simulation and evaluation of the possible exploitation of future optical images, both panchromatic and multispectral, coming from the programmed Cosmo-SkyMed mission (Constellation of Small satellites for the Mediterranean Basin Observation). The project goal is the definition of the limits and potentialities of the images for hydrogeological environmental analysis, paying particular attention to the landslides assessment problem. COSMO/SkyMed is a space program for Earth Observation whose aim is to supply products and services to institutional and commercial customers. The first optical-equipped satellite will be launched within According to the required great economical investments, the importance of the expected results is obvious, especially for the future images and their geometric, cartographic, radiometric and spectral characteristic. For such purpose, some orthocorrection tests have been carried out on the simulated images in order to estimate their geometrical quality versus their cartographic exploitability. During this phase, aerial digitalized images and satellite images as Cosmo/SkyMed similar features have been used for the simulation operations. Therefore tests have been applied to the simulated images for exploitation in the environmental field. A prototypal methodology for the identification and the analysis of landslides movements aimed to the generation of counting and risk map has been implemented. According to the expected images features some considerations will be presented about the possibility of extracting the third spatial dimension by correct orientation of satellite stereo pairs. Il sistema Pleiades-COSMO/Skymed (PCS) La costellazione PCS è un progetto satellitare per l osservazione della Terra, concepito per fornire prodotti, servizi e logistica ad utenti istituzionali e commerciali. Tale programma è stato inizialmente configurato per raccogliere dati relativi al bacino del Mediterraneo, tuttavia, considerandone le specifiche caratteristiche, esso è in grado di operare globalmente. Il primo satellite dovrebbe essere lanciato nel Considerando gli enormi investimenti richiesti da un progetto di questo tipo, risulta evidente la necessità di conoscere, in fase progettuale, quelli che possono essere i risultati in termini di immagini prodotte. Il segmento spaziale ottico sarà costituito da un sistema di 2 satelliti identici ( sfasati di 180 ) posti su di una orbita eliosincrona ad una quota media di Km. Su ciascun Quota dell orbita km Velocità 7,5 km/s Tipo di orbita eliosincrona quasi polare Inclinazione Periodo dell orbita 99 min n. orbite/giorno 14 Acquisizione Nadirale e off-nadir 30 Tipo di strumentazione ottico/elettronica Sensori CCD n. bande spettrali (Pan) Intervalli spettrali PAN XS µm 0,43-0,55 µm 0,49-0,61 µm 0,60-0,72 µm 0,75-0,95 µm Tabella 1 - Caratteristiche operative della piattaforma satellitare (da CNES, 2002). satellite sarà montato un sensore ottico ad alta risoluzione in grado di acquisire immagini in modalità pancromatica e multispettrale (PAN+XS). La fascia di acquisizione sarà compresa tra gli 81 di latitudine Nord e gli 81 di latitudine Sud. Il sistema ottico avrà la possibilità di acquisire coppie stereoscopiche e tri-stereo in varie configurazioni (350km x 20km oppure 150km x 40km). La larghezza della strisciata (Swadth) sarà di circa 20 Km. La risoluzione geometrica delle immagini pancromatiche (PAN) in presa nadirale sarà di 0.7 m (comunque inferiore a 1m per le prese entro un angolo di 30 ).

3 La risoluzione geometrica delle immagini multispettrali (XS) in vista nadirale sarà di 2.80 m (Tab. 1). Metodologia di simulazione geometrica Al fine di valutare correttamente le potenzialità applicative delle immagini PCS allo specifico problema dei movimenti franosi, sono state considerate due diverse metodologie per la loro simulazione: Simulazione da immagini satellitari ad alta risoluzione aventi caratteristiche geometriche e radiometriche prossime a quelle previste per PCS; Simulazioni da ortofoto aeree. Il primo approccio è stato privilegiato in forza della vocazione più prettamente applicativa assegnata al progetto. Riteniamo oggi che le prime indicazioni applicative deducibili da dati già esistenti possano costituire un valore aggiunto, nel contesto italiano di rischio idrogeologico, maggiore rispetto a quelle derivanti da una simulazione rigorosa, in cui l attenzione sia spostata sulla forma del dato e non sulla sua sfruttabilità operativa. La procedura di simulazione è avvenuta a partire da un immagine Quickbird acquisita nel 2002 che garantisce una buona somiglianza con le caratteristiche di progetto di PCS (Figura 2). Successivamente l immagine è stata ricampionata alla risoluzione PCS prevista in questa fase del progetto. L obiettivo dichiarato di questa fase è quello di fornire un prodotto sul quale effettuare considerazioni di carattere prevalentemente geometrico indirizzate ai due prodotti fondamentali auspicati dalla fotogrammetria digitale applicata alle immagini satellitari: l ortoimmagine; l orientamento di modelli stereoscopici destinati alla restituzione. Ortoproiezione e verifiche metriche L ortoproiezione è l operazione geometrica che trasforma una qualunque geometria proiettiva (ogni sistema di acquisizione ottico ne possiede una sua propria) in una proiezione ortografica, avente i raggi proiettivi paralleli fra loro. In generale però l ortoproiezione di immagini satellitari può avvenire: con modelli rigorosi (o parametrici) basati sulle equazioni di collineartità tempo dipendenti; con modelli più generali non parametrici: questi modelli consentono di descrivere le relazioni che intercorrono tra le coordinate immagine e le coordinate oggetto attraverso funzioni matematiche definite da parametri (da stimare per ogni singolo caso) che non posseggono un significato fisico. Tali relazioni vengono calibrate attraverso punti di appoggio E stata privilegiata questa seconda modalità ritenendo i risultati ottenibili cautelativi rispetto alle reali potenzialità che il sistema avrebbe se considerato in modo rigoroso, considerando anche che, ad oggi, questa risulta la via più adottata per oggettiva mancanza di informazioni precise circa i sistemi satellitari. Figura 2 - Particolare dell immagine Quickbird ricampionata alla risoluzione geometrica di PCS (0.7m), e delle verifiche metriche.

4 Accuratezza e Analisi Statistiche sui Residui In questa fase, sulle immagini ortoproiettate, sono state condotte alcune verifiche di posizionamento planimetrico; la corretta ortoproiezione della scena è ritenuta, per queste risoluzioni geometriche e per il tipo di applicazione cui questo lavoro si riferisce, elemento vincolante in quanto determina la qualità delle informazioni metriche derivabili e quindi dell idoneità del dato rispetto a problematiche tipiche dell ambito geologico. Tali prove (Boccardo et al., 2003) mostrano che i residui (DX e DY) sui punti di controllo ricadono per il 95% all interno dei seguenti intervalli : <DX< m; m < DY < m [1] Questi valori suggeriscono un utilizzo potenziale di ortofoto PCS per la produzione e l aggiornamento di cartografia 1:5000 e quindi anche il loro utilizzo per analisi territoriali dell assetto idrogeologico. Metodologia di simulazione radiometrica Sulla base delle specifiche tecniche reperite si è proceduto alla simulazione della radiometria delle immagini multispettrali (XS) PCS che prevede le seguenti fasi: Ortoproiezione di immagini MIVIS (Multispectral Infrared and Visibile Imaging Spectrometers) considerate la fonte primaria per l estrazione delle radiometrie; Ricampionamento geometrico delle immagini MIVIS ortoproiettate alla risoluzione prevista per l XS; Calibrazione radiometrica e ricostruzione dei valori di radianza; Accorpamento e taglio delle bande spettrali necessarie; Calibrazione inversa secondo un modello lineare alla risoluzione radiometrica prevista. Tecniche di restituzione e classificazione Le fasi di analisi e classificazione si sono concentrate sullo studio dei movimenti franosi utilizzando metodi tradizionali di classificazione metrici, tessiturali e contestuali e metodi geometrici basati sull altimetria differenziale. Durante le classiche procedure di classificazione, ciò che accade per le immagini ad alta risoluzione è che le classi da riconoscere non presentano un comportamento spettrale molto omogeneo formando, nello spazio delle bande spettrali, dei cluster poco separabili. Questo fenomeno rende difficoltosa l estrazione delle aree campione. La maggiore quantità di oggetti distinguibili, oltre al maggior numero di livelli di grigio disponibili, aggravano ulteriormente la situazione. I metodi di classificazione tradizionali non consentono quindi l estrazione automatica di tale informazione soprattutto nelle immagini pancromatiche. Questo suggerisce di adottare classificatori tessiturali e contestuali, di cui non viene dato riscontro in questo lavoro. Attenzione è invece posta all estrazione di informazioni morfologiche dirette con tecniche di restituzione fotogrammetrica (metodi geometrici). Approccio geometrico: prove di orientamento di coppie stereoscopiche simulate Le analisi geologiche, finora, si sono affidate principalmente alle metodologie fotogrammetriche, che permettono una visione stereoscopica del territorio, oppure a immagini satellitare a bassa risoluzione per studi di tipo strutturale a piccola scala in cui la terza dimensione è trascurabile. La piattaforma PCS metterà anch essa a disposizione coppie stereoscopiche pancromatiche che potranno quindi essere utilizzate per analisi tridimensionali morfologiche a grande scala e per il monitoraggio ambientale. In attesa

5 di poter orientare le coppie stereoscopiche di immagini si è proceduto ad effettuare delle prove su un blocco di fotogrammi aerei appositamente digitalizzati e ricampionati alla risoluzione PCS. Approccio Geometrico: Altimetria differenziale multitemporale L interesse primario è volto a comprendere se il dato altimetrico derivabile per questa via sia da considerarsi un reale valore aggiunto rispetto al problema delle frane. In tal senso è in corso di verifica un approccio geomatico basato sull analisi differenziale di DEM (Digital Elevation Model) multitemporali. Oulx Figura 3 - La valle di Susa (Torino): in rosso a zona della Paleofrana di Oulx. Area Test La zona di Oulx (Fig. 3) è attualmente seguita da una fervida campagna di studio in vista delle opere previste per i giochi olimpici di Torino In principio la zona fu segnalata come una grande conoide composta da depositi di origine glaciale, ma successivamente, e solo recentemente, è stata riconosciuta correttamente come una zona di intensi movimenti gravitativi profondi attivatisi in seguito all ultima glaciazione e al conseguente rilascio delle tensioni compressive generate dalla massa glaciale valsusina. Quest area su cui è stata edificata Sauze d Oulx non presenta evidenze superficiali di particolare evidenza o pericolosità apparenti ma potrebbe essere interessante monitorarne i movimenti lenti ma costanti nel tempo, dovuti al rilascio di forze compressive e distensive che hanno interessato l evento antico, appunto la paleofrana. In questo caso quindi le analisi saranno concentrate sul motore principale ossia sulla DGPV (Deformazione Gravitativa Profonda di Versante) che caratterizza la morfologia dell area. Metodologia L approccio proposto è basato su tecniche di restituzione fotogrammetrica digitale. Tali tecniche, consentono di ricostruire un modello tridimensionale dell oggetto osservato e di eseguire Figura 4 : Rappresentazione dell area di studio. In primo piano la Paleofrana di Salice d Ulzio. misure geometriche su di esso. Sono stati utilizzati due serie di fotogrammi: una prima coppia stereoscopica dell area, dell anno 1964 (a scala 1:30.000) e una seconda serie di fotogrammi (a scala 1 : ) dell anno Le operazioni di restituzione fotogrammetrica, eseguite in modo digitale sulle stereocoppie PCS simulate, hanno consentito di generare, i modelli digitali del terreno (DEM) del 1964 e del Per eseguire

6 questa operazione è stata assicurata la massima accuratezza nell orientamento dei fotogrammi in modo da limitare la propagazione degli errori nei calcoli differenziali dei DEM così generati. Risultati I due DEM ottenuti sono stati confrontati operando con sottrazione matriciale (dopo - prima) utilizzando una apposita procedura sviluppata autonomamente nel linguaggio di programmazione IDL (Interactive Data Language). Valori positivi (bianco) indicano probabili sollevamenti, valori negativi (nero) possibili sprofondamenti (Figura 5). Anche se la risoluzione delle immagini simulate è di 0.70 m bisogna tenere conto dei limiti imposti dalla scala dei dati originali. Al fine di evidenziare solo i movimenti verticali significativi (cioè quelli rientranti all interno della tolleranza stimata) è stata applicata una sogliatura cautelativa pari a? 4m ottenuta dalla bibliografia (Kraus, 1994). I risultati ottenuti sono da considerarsi qualitativi. Si ritiene infine, sulla base anche di verifiche puntuali, che i risultati possano essere presi in considerazione dal punto di vista qualitativo Figura 5 : A destra il risultato del procedimento di confronto tra le matrici numeriche dei due set di dati (DEM). Risultato Conclusioni I risultati ottenuti sono stati confermati dalla realizzazione di misure sulla medesima a- rea, effettuate con tecniche interferometriche radar da terra e da satellite che hanno evidenziato una tendenza evolutiva verticale paragonabile ai risultati ottenuti in questo lavoro. Nel prossimo futuro questa procedura potrà essere applicata per il monitoraggio dei versanti in dissesto automatizzate di raccolta dei dati volumetrici derivati dalle stereocoppie PCS. Riferimenti bibliografici [1] Boccardo, P., E. Borgogno Mondino, and F. Giulio Tonolo, 2003, High resolution satellite images position accuracy tests, IGARSS 2003, Toulouse. [2] Boccardo P., Borgogno Mondino E., Giulio Tonolo F, (2003), Urban Areas classification tests using High Resolution Pan-Sharpened satellite images, Urban 2003 [3] Tao C., Hu Y. (2001), A comprensive study of the Rational Function Model for Photogrammetric processing, Photogrammetric engineering & Remote Sensing, [4] Borgogno Mondino E., Giulio Tonolo F. (2002), Prove di classificazione su immagini multispettali ad alta risoluzione pan-sharpened, Atti ASITA [5] Boussarie et al. (2002), Presentazione del sistema ottico Pleiades nell ambito del sistema Italo-Francese Orfeo, Atti ASITA 2002, Perugia, Italy. [6] Dramis F. (1984) Aspetti geomorfologici e fattori genetici delle deformazioni gravitative profonde Boll. Soc. Geol. It., 103, ( ). [7] Kraus K., (1994) Fotogrammetria. Levrotto e Bella Torino, 517 pp.

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