Implementazione ed ottimizzazione di algoritmi di processamento radargrammetrico ed interferometrico per la produzione di DEM da immagini COSMO SkyMed

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1 Implementazione ed ottimizzazione di algoritmi di processamento radargrammetrico ed interferometrico per la produzione di DEM da immagini COSMO SkyMed AGENZIA SPAZIALE ITALIANA BANDO PERIODICO RISERVATO ALLE P.M.I. SECONDO BANDO TEMATICO OSSERVAZIONE DELLA TERRA Roma, 13 Luglio 2011 Nicola Stella

2 SINTESI PROGETTO Progetto C.R.E.S.P. Cosmo Radar Expert System of Processing Mission Ottimizzazione ed implementazione ottimale degli algoritmi di processamento radargrammetrico (StereoSAR) ed interferometrico (InSAR e PSInSAR) in una unica suite che sia in grado guidare l utente finale, dalla pianificazione dell acquisizione fino alla produzione del DEM finale, datasets acquisite tramite la costellazione COSMO SkyMed. Durata del progetto R&S 24 Mesi AZIENDE Geotec Srl Prime Applica Mobile Srl Start-Up Infosystem PMI Aggregata Dipartimento Interateneo di Fisica Bari Consulente Esterno

3 AZIENDE COINVOLTE PMI presente dal 1994 nel mercato della fotogrammetria, cartografia, GIS/WebGIS e Remote Sensing in cui vanta competenze in: Elaborazione di dati ottici, multispettrali ed iperspettrali Elaborazione dati LIDAR. Elaborazione dati SAR e sviluppo algoritmi IMage Processing Sviluppo di un processore InSAR e DInSAR Ricerca e Sviluppo sulle tecniche algoritmiche RADARGRAMMETRICHE (StereoSAR) e validazione sperimentale delle stesse, in collaborazione con L ASI La Applica è una start-up i cui soci lavoratori hanno esperienze in ambito di sviluppo applicazioni tridimensionali oltre ad un lungo curriculum in ambito di progetti di ricerca industriale per quel che concerne sia il management che l implementazione stessa. Core business aziendale è lo sviluppo e commercializzazione di software nonché la ricerca industriale e la consulenza informatica alle aziende. La Infosystem s.r.l. è una società che opera nel settore dell informatica e della telematica sin dal 1991 che ad oggi vanta la realizzazione di importanti sistemi informativi nei settori Sanità, Enti pubblici e privati, Industria e P.M.I., nonché una lunga esperienza nella fornitura di prodotti e servizi nel comparto I.C.T. La Infosystem ha svolto negli anni numerosi progetti di ricerca e sviluppo in particolare nell ultimo triennio. Attivo da più di un decennio nel settore del telerilevamento satellitare. Tra le più importanti attività di studio ed approfondimento, si menziona l elaborazione del dato SAR con tecniche InSAR, DInSAR e PSInSAR finalizzate all estrazione dell informazione sia di quota topografica che di movimento del terreno. Con riferimento a questa tematica, il gruppo ha lavorato in numerosi progetti finanziati da enti ed agenzie nazionali ed internazionali (ASI, ESA, NASA, ENEA, European Commission). Le attività di ricerca del gruppo hanno portato allo sviluppo di una catena di processing interferometrico denominata SPINUA-POLIBA

4 INTRODUZIONE: Digital Elevation Model (DEM) DEM prodotto fondamentale per Sistemi GIS/WebGIS, Monitoraggio Ambientale, Risk Management, Cartografia, Ortofoto, Navigazione, Simulatori, Videogames, applicazioni Militari. Aereofotogrammetria Acquisizioni LIDAR Alta precisione, vantaggiosa per produrre DEM/DTM nell ambito Nazionale in quanto subordinata alle problematiche logistiche ed economiche derivanti dall utilizzo di un aereo (tempi, autorizzazioni, condizioni meteo, ecc..). Un DTM da dati LIDAR può risultare molto costoso. Fotogrammetria Immagini Satellitari Buona alternativa alle precedenti ma fortemente influenzata dalle condizioni meteo del periodo di acquisizione (es. presenza di nuvole) Un buon compromesso è rappresentato dai DEM generati da elaborazione di dati SAR SAR satellite InSAR StereoSAR Tecnica molto precisa ma affetta dal limite legato alla applicabilità della tecnica solo in aree ad elevata coerenza interferometrica o con presenza di Persistent Scatterers. Tecnica meno precisa rispetto all InSAR ma più robusta e dai costi computazionali minori. Essa si basa su tecniche fotogrammetriche applicate alle immagini SAR in ampiezza. Tempi di Rivisita alti, elusione dei problemi di copertura nuvolosa, acquisizioni su scala mondiale in tempi brevi, DEM alta precisione

5 L IDEA...

6 Radargrammetria θ θ 2 1 p = risoluzione spaziale X 2 X 1 h

7 Radargrammetria

8 InSAR La tecnica InSAR sfrutta la differenza di fase tra due acquisizioni per ricavare le mappe di deformazione del terreno: consente di ottenere un quadro completo e dettagliato sul comportamento del terreno nell area di interesse.

9 InSAR

10 PSInSAR Subsidenza La tecnica dei Persistent Scatterers restituisce, oltre all informazione di spostamento, anche l informazione di quota di ogni singolo Persistent Scatterers SPINUA (Dip. Fisica Bari GAP) Inteferogramma Topografia Movimento 4 B h vt r0sin PS = Ground Control Points per correzione di artefatti nei DEM Radargrammetrici ed Interferometrici SPINUA: algoritmo sviluppato dal DIF di Bari, Gruppo Telerilevamento, in grado di generare mappe di Persistent Scatterers a partire da acquisizioni SAR in Banda L, C ed X, sperimentato nell ambito del progetto Morfeo per ricavare, a partire da acquisizioni COSMO SkyMed, le mappe di spostamento di alcune aree con presenza di fenomeni franosi

11 CRESP

12 CRESP Adattamento, ottimizzato ad acquisizioni SAR COSMO SkyMed, degli algoritmi di processamento radargrammetrico e interferometrico (InSAR e PSInSAR), in una suite che sia in grado di guidare l utente dalla pianificazione dell acquisizione fino alla produzione del DEM finale Il DEM finale è frutto dell applicazione di una delle due tecniche o della combinazione delle due (InSAR, StereoSAR) a seconda degli scenari o delle esigenze dell utente. L elaborazione radargrammetrica ed interferometrica viene effettuata su data-set SAR che devono essere selezionati dalla suite in accordo con le specifiche definite dall utente guidato da un Sistema esperto di Supporto Le tecniche InSAR e StereoSAR possono essere supportate dalla tecnica PSInSAR Gestione dello storico processamenti, datasets, metadati, DEM, Acquisizioni Particolare attenzione sarà rivolta alle tecniche radargrammetriche, per le quali Geotec Srl vanta un attività di ricerca e sviluppo biennale che ha prodotto ottimi risultati (DEM fino a 3 m) (info

13 CRESP DESCRIZIONE Guidare l utente verso la migliore soluzione adottabile in base alle sue richieste. Sarà strettamente interagente con l archivio di input. Partendo dalle richieste effettuate, esso valuterà la migliore tecnica da adottare con riferimento alle caratteristiche della scena in esame. Sulla base delle tecniche selezionate, il sistema esperto individuerà, interagendo con l archivio di input, i data-set di acquisizioni SAR da elaborare o in alternativa produrrà un report con l elenco delle specifiche delle acquisizioni SAR da utilizzare Acquisisce dall utente le specifiche del DEM da generare e fornisce al modulo Sistema esperto di supporto tutte le informazioni di supporto per la selezione del data-set e delle tecniche da applicare Expert Sistem Input DB Output DB L archivio di output avrà la funzione di gestire tutti i dati e metadati che rientrano nell intero processo di elaborazione scelto, garantendo una coazione con l archivio di input I tre processori della suite (InSAR, PSInSAR e StereoSAR) sono in grado di fornire indipendentemente dei DEM, ognuno con le limitazioni tipiche della tecnica utilizzata. L utilizzo combinato delle tre tecniche consente di mitigare le limitazioni della singola tecnica. In particolare, è possibile individuare i seguenti scenari con i relativi processi incrociati Stereo SAR InSAR PSInSAR Other Product DEM Il DEM viene infine validato e collaudato tramite l ausilio di un modulo apposito (BLOCCO 15) in cui sono previste analisi di comparazione di profili altimetrici con DEM di riferimento (ad Es. DEM SRTM, DEM fotogrammetrici), analisi delle quote con Punti di appoggio fotografico, Ground Control Point, Dati GPS; analisi statistiche mirate, mappa delle deviazioni Standard e RMS

14 PROGETTO ATTIVITA Milestone 1 Conclusione delle attività di ricerca Milestone 2 Conclusione delle attività di sviluppo Milestone 3 Conclusione delle attività di sperimentazione, test e validazione del prototipo Ricerca e Sperimentazione Sviluppo Prototipo Management Dissemination Stato dell arte, studio scenari, requisiti Definizione del Sistema Esperto Project Management Studio di geometrie di acquisizione ottimali, ottimizzazione di differenti livelli di acquisizione per la radargrammetria Ottimizzazione algoritmica Radargrammetrica Definizione architettura di sistema Sviluppo della suite Sperimentazione, test e validazione del prototipo Definizione di un Modello di business e del piano di disseminazione e dei risultati di progetto Progettazione Processori Studio integrazione delle tecniche

15 PROGETTO CRONOGRAMMA E WP

16 PROGETTO TEAM E ATTIVITA Prime Contractor Ricerca e Sperimentazione Ricerca e Sviluppo StereoSAR, InSAR, PSInSAR Management & Dissemination Sviluppo Prototipo Consulenza Esterna PSInSAR

17 CRESP Sperimentazione: Eventuali Test Site Come eventuali Test Sites sono stati scelti due siti lucani soggetti a forti rischi ambientali, per i quali l utilizzo di un DEM rappresenta la base per il monitoraggio e la gestione del rischio. Subsidenze Frane Gestione reticolo idrografico Arretramento Costa

18 CRESP Eventuali Test Site Acquisizioni a Catalogo

19 PROGETTO CRESP BENEFICI COMPETITIVITA Alto grado di Innovazione Produzione di DEM ad alta precisione grazie all utilizzo incrociato delle diverse tecniche Minimizza i tempi di decisione da parte dell utente Velocizza i tempi di produzione Predisposizione ai sistemi GIS/WebGIS MISSIONI PARTNER Sarà in grado di interfacciarsi con dati provenienti da missioni partner INDICAZIONI 2 GENERAZIONE Le fasi di ricerca e validazione forniranno utili indicazioni per la missione COSMO SkyMed di seconda generazione

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