Studi scientifici a supporto della missione PRISMA

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2 Studi scientifici a supporto della missione PRISMA

3 WBS Progetto OPTIMA Coordinamento Progetto e Supporto all ASI Simulazione Dati Qualità del dato Ottimizzazione prodotti di livello 1 e 2 Elaborazione ed integrazione dati Valutazione delle potenzialità applicative ai processi ambientali WP 100 WP 200 WP 300 WP 400 WP 500 WP 600 Noise modeling WP 310 Correzioni radiometriche WP 410 Data Fusion WP 510 Stima dell umidità superficiale WP 610 Caratteristiche spaziali e spettrali WP320 Correzioni atmosferiche WP 420 Feature Extraction & Unmixing WP 520 Analisi di aree interessate da incendi WP 620 Enhancement & Restoration WP 530

4 Sviluppo Temporale

5 WP200: Simulazione Dati INPUT Contratto ASI ed Allegato Tecnico Gestionale Proposta Scientifica OPTIMA The PRISMA Mission document Documento PRISMA Product and Applications Immagini naturali acquisite da altri sensori iperspettrali Modelli di MTF spaziale di PRISMA Modelli di MTF spettrale di PRISMA Modello di disturbo di PRISMA, in particolare componente fotonica ed elettronica Mappe tematiche provenienti dalla classificazione di dati acquisiti da altri sensori

6 WP200: Simulazione Dati DESCRIZIONE Produzione dei dati di simulati partendo da quelli di un sensore aerospaziale attraverso ricampionamento spaziale e spettrale Controllo dell aliasing spaziale e spettrale attraverso le MTF di PRISMA (teoriche) Introduzione del rumore strumentale secondo il modello usato e tenendo conto del rumore del dato di partenza Produzione di dati simulati completamente sintetici, generati a partire da mappe di classificazione e miscele di spettri di riflettanza di laboratorio o misurati a terra, comprendenti gli effetti strumentali (MTF e disturbi) Simulazione degli effetti atmosferici

7 WP200: Simulazione Dati

8 WP200: Simulazione Dati La simulazione terrà conto dei requisiti delle applicazioni, delle modalità operative della missione e delle principali caratteristiche tecniche del sistema elettro-ottico. Parametri operativi: Caratteristiche orbitali del satellite (TLE previsti) Angoli di puntamento in fase di acquisizione Parametri fisici descrittivi dell atmosfera Parametri strumentali: Dimensioni dell area per ogni singola acquisizione Numero di pixel ortogonali alla direzione di volo e lungo la direzione di volo Campo di vista totale Campo di vista istantaneo Intervallo di campionamento spaziale MTF del sistema ottico, integrazione sul pixel ed MTF globale Bande spettrali: numero, posizione, ampiezza, forma Caratteristiche spettrofotometriche dei mezzi dispersivi impiegati (i.e. reticolo di diffrazione): PSF dello spettrografo effetti Smile e Keystone Caratteristiche radiometriche dei rivelatori utilizzati e dell elettronica di quantizzazione del segnale, anche al fine di quantificare le varie tipologie di rumore: Shot noise Errori di trasferimento delle cariche elettriche Rumore fotonico Smearing e striping Effetto gamma Rapporto segnale-rumore in funzione della lunghezza d onda per un determinato albedo della superficie osservata. Quantizzazione del segnale

9 WP200: Simulazione Dati OUTPUT Primo insieme di dati simulati a partire dalla prima riunione tecnica (a T mesi) Secondo insieme di dati simulati a partire dalla prima riunione di avanzamento (a T mesi) Terzo insieme di dati simulati alla seconda riunione di avanzamento e conclusione del WP200 (a T mesi) Contributo a Documento PRISMA products and applications nei suoi vari aggiornamenti

10 WP300: Qualità del dato INPUT Contratto ASI Documento PRISMA Product and Applications Primo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della prima riunione tecnica (a T mesi) Secondo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della prima riunione di avanzamento (a T mesi) Terzo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della seconda riunione di avanzamento e a conclusione del WP200 tecnica (a T mesi) Dati PRISMA e relativi dati di calibrazioni forniti da ASI a partire dalla seconda riunione di avanzamento (a T mesi) Prodotti di livello 1 e 2 corretti da distorsioni atmosferiche e radiometriche forniti dal WP400 a partire dalla prima riunione di avanzamento (a T mesi)

11 WP300: Qualità del dato DESCRIZIONE L attività del WP è fondamentale per gli algoritmi di denoising, di filtraggio inverso e per alcuni dei metodi più efficienti di pansharpening che sono oggetto dell attività del WP500. L attività di questo WP riguarda essenzialmente: Verifica del modello segnale-rumore Stima dei parametri del rumore Stima delle MTF di sistema Aggiornamento del documento PRISMA Product and Applications

12 WP300: Qualità del dato OUTPUT Contributo al Rapporto tecnico della prima riunione di avanzamento Parametri relativi alla qualità del dato prodotto nel WP300 a (a T mesi) a (a T mesi) e a (a T mesi) fino alla conclusione dell attività Report e file con i parametri relativi alla qualità dei dati PRISMA fino alla conclusione dell attività Software dimostrativo relativo alle tecniche prescelte per la stima dei parametri del rumore e della MTF di sistema(a T mesi) Documento PRISMA Product and Applications

13 WP300: Qualità del dato WP310 Noise modelling INPUT: Dati simulati o dati PRISMA Elaborazione: Verifica del modello segnale-rumore e stima dei parametri del rumore a partire dai dati OUTPUT : Stima parametri rumore WP 320 Caratteristiche spaziali e spettrali INPUT: Dati simulati o dati PRISMA Elaborazione: stima della MTF di sistema a partire dai dati osservati. La MTF verrà utilizzata per il pansharpening e per la verifica dell aliasing introdotto. OUTPUT : Stima MTF ed aliasing

14 WP310: Noise modelling DESCRIZIONE L attività del WP riguarda la verifica del modello segnale-rumore e la stima dei parametri del rumore a partire dai dati. L attività prevista riguarda: Metodo per la verifica del modello segnale-rumore del sensore Determinazione della qualità delle immagini basata su misure oggettive dei parametri che caratterizzano il rumore e di indici globali quali il SNR Valutazione della possibilità di stimare la quantità d'informazione contenuta nei dati iperspettrali alla luce del modello segnale-rumore evidenziato

15 DESCRIZIONE OPTIMA WP320: Caratteristiche spaziali e spettrali L attività del WP riguarda la qualità spaziale e spettrale dei dati che si concretizza attraverso la stima delle MTF di sistema. L attività prevista riguarda: Stima della MTF dei canali iperspettrali dai dati osservati utilizzando come immagine ideale ad alta risoluzione l immagine PAN Valutazione dell aliasing dei dati iperspettrali campionati a partire dalle MTF di sistema (nominali e stimate) Stima della MTF di sistema del canale pancromatico e relativa stima dell aliasing introdotto dal campionamento

16 WP400: Ottimizzazione dei prodotti di livello 1 e 2 INPUT Contratto ASI Documento PRISMA products and applications Immagini naturali acquisite da altri sensori iperspettrali (T 0 ) Primo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della prima riunione tecnica (a T mesi). Secondo insieme di dati simulati (tutte le tipologie) da parte del WP200 a valle della prima riunione di avanzamento (a T mesi) Terzo insieme di dati simulati (tutte le tipologie) da parte del WP200 a valle della seconda riunione di avanzamento e a conclusione del WP200 tecnica (a T mesi) Dati PRISMA e relativi dati di calibrazioni forniti da ASI a partire dalla seconda riunione di avanzamento (a T mesi)

17 DESCRIZIONE OPTIMA WP400: Ottimizzazione dei prodotti di livello 1 e 2 Esecuzione delle fasi di calibrazione radiometrica, destriping, correzione degli effetti atmosferici. In particolare si affronteranno le seguenti tematiche: Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications nel quale saranno anche riportati le metodologie e gli algoritmi di correzione dati Sviluppo degli algoritmi per la correzione atmosferica e la calibrazione radiometrica Implementazione della modellistica di simulazione usando il linguaggio C Ottenimento di immagini di radianza al sensore, di immagini corrette per gli effetti dello striping e di immagini corrette per gli effetti atmosferici attraverso l utilizzo di metodi diretti ed autonomi Validazione dei prodotti di livello 1 e 2 Uso del sito di calibrazione di San Rossore, esecuzione di misure in campo Valutazione di potenziali attività di calibrazione incrociata

18 OUTPUT OPTIMA WP400: Ottimizzazione dei prodotti di livello 1 e 2 Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications Fornitura su DVD di set di dati simulati, sintetici o telerilevati da altri sensori, e corretti radiometricamente (radianza al sensore) e per gli effetti dell atmosfera (riflettanza al suolo) completo di manuale d uso (a T mesi, a T mesi, a T mesi) Fornitura su DVD di set di dati acquisiti e corretti radiometricamente (radianza al sensore) e per gli effetti dell atmosfera (riflettanza delle superfici osservate) completo di manuale d uso (a T mesi, a T mesi, ed a T mesi) Contributi ai rapporti Tecnici e di Avanzamento (a T 0 + K * 6 mesi) Contributo al Rapporto finale (a T mesi)

19 WP400: Ottimizzazione dei prodotti di livello 1 e 2 WP410 Correzioni radiometriche INPUT: Dati grezzi Elaborazione: Esecuzione delle fasi di calibrazione radiometrica e destriping. OUTPUT : Immagini di radianza al sensore (Dati L1B) WP 420 Correzioni atmosferiche INPUT: Dati L1B Elaborazione: Esecuzione della fase di correzione degli effetti atmosferici e utilizzo del sito di calibrazione posto presso San Rossore (Pisa) OUTPUT : Immagini di riflettanza al suolo (Dati L2)

20 WP410: Correzioni radiometriche DESCRIZIONE Esecuzione delle fasi di calibrazione radiometrica e destriping. In particolare si affronteranno le seguenti tematiche: Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications nel quale saranno anche riportati le metodologie e gli algoritmi di correzione radiometrica dei dati Sviluppo degli algoritmi per la calibrazione radiometrica e il destriping Implementazione della modellistica di simulazione usando il linguaggio C Ottenimento di immagini di radianza al sensore e di immagini corrette per gli effetti dello striping attraverso l utilizzo di metodi diretti Validazione dei prodotti di livello 1 Uso del sito di calibrazione di San Rossore, esecuzione di misure in campo Valutazione di potenziali attività di calibrazione incrociata

21 WP420: Correzioni atmosferiche DESCRIZIONE Esecuzione della fase di correzione degli effetti atmosferici. In particolare si affronteranno le seguenti tematiche: Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications nel quale saranno anche riportati le metodologie e gli algoritmi di correzione dati Sviluppo degli algoritmi per la correzione atmosferica Implementazione della modellistica di simulazione usando il linguaggio C Ottenimento di immagini di immagini corrette per gli effetti atmosferici attraverso l utilizzo di metodi diretti ed autonomi. Validazione dei prodotti di livello 2 Uso del sito di calibrazione di San Rossore, esecuzione di misure in campo Valutazione di potenziali attività di calibrazione incrociata

22 INPUT OPTIMA WP500: Elaborazione ed integrazione dati Contratto ASI Documento PRISMA products and applications Primo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della prima riunione tecnica (a T mesi) Secondo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della prima riunione di avanzamento (a T mesi) Terzo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della seconda riunione di avanzamento e a conclusione del WP200 tecnica (a T mesi) Specifiche sulla qualità del dato dal WP300 a partire dalla prima riunione tecnica (a T mesi) fino alla conclusione dell attività Prodotti di livello 1 e 2 corretti da distorsioni atmosferiche e radiometriche forniti dal WP400 a partire dalla prima riunione di avanzamento (a T mesi) Dati PRISMA e relativi dati di calibrazioni forniti da ASI a partire dalla seconda riunione di avanzamento (a T mesi)

23 DESCRIZIONE OPTIMA WP500: Elaborazione ed integrazione dati Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications Valutazione delle tecniche di fusione multirisoluzione, e relativi modelli di iniezione, per rapporti di scala pari a 1/6 su dati simulati e su dati acquisiti da PRISMA (WP510) Estrazione di caratteristiche tramite tecniche di riduzione della dimensionalità di tipo non lineare su dati simulati e su dati acquisiti da PRISMA (WP520) Valutazione di tecniche di unmixing spettrale di dati simulati e di dati acquisiti da PRISMA corretti atmosfericamente (WP520) Valutazione di tecniche di miglioramento della qualità radiometrica dell immagine PAN mediante filtraggio inverso e successiva riduzione del rumore in alta frequenza (WP530)

24 OUTPUT OPTIMA WP500: Elaborazione ed integrazione dati Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications Contributo al Rapporto tecnico della prima riunione di avanzamento con l analisi dello stato dell arte delle tecniche trattate nel WP500 e l indicazione delle tecniche più promettenti per i dati in esame (a T mesi) Scelta degli algoritmi e ottimizzazione su dati simulati (a T mesi) Software dimostrativo relativo alle tecniche prescelte per il pansharpening, il manifold learning, l unmixing spettrale e l enhancement (a T mesi) Contributo al rapporto tecnico finale con ottimizzazione degli algoritmi su dati PRISMA (a T mesi)

25 WP500: Elaborazione ed integrazione dati WP510 Data Fusion INPUT: Dati simulati L1B/L2, o dati L1B/L2 Prisma Elaborazione: Sviluppo e ottimizzazione di modelli di iniezione dei dettagli spaziali del PAN nelle immagini IPER OUTPUT : algoritmi di fusione dati ed esempi dati elaborati WP 520 Feature extraction & unmixing INPUT: Dati simulati L1B/L2, o dati L1B/L2 Prisma Elaborazione: Sviluppo e sperimentazione di alcune tecniche di manifold learning e di unmixing spettrale OUTPUT : Algoritmi di unmixing spettrale e mainfold learning WP 530 Enhancement & restoration INPUT: Dati simulati L1B/L2, o dati L1B/L2 Prisma Elaborazione: individuazione delle tecniche più promettenti di enhacement e restoration. OUTPUT : Algoritmi di enhancement e restoration

26 INPUT OPTIMA WP600: Valutazione delle potenziallità applicative ai processi ambientali Contratto ASI Documento PRISMA products and applications Primo e secondo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della prima riunione di avanzamento (a T mesi) Terzo insieme di dati simulati da parte del WP200 a valle della seconda riunione di avanzamento e a conclusione del WP200 tecnica (a T mesi) Specifiche sulla qualità del dato dal WP300 a partire dalla prima riunione tecnica (a T mesi) fino alla conclusione dell attività Prodotti di livello 1 e 2 corretti da distorsioni atmosferiche e radiometriche forniti dal WP400 a partire dalla prima riunione di avanzamento (a T mesi) Dati PRISMA e relativi dati di calibrazioni forniti da ASI a partire dalla seconda riunione di avanzamento (a T mesi)

27 WP600: Valutazione delle potenziallità applicative ai processi ambientali DESCRIZIONE Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications Valutazione delle potenzialità del sensore iperspettrale PRISMA ai fini della stima di parametri e variabili ambientali utili alla individuazione, caratterizzazione e monitoraggio delle aree interessate da rischi naturali ed antropici quali processi di frana e incendi di aree vegetate.

28 OUTPUT OPTIMA WP600: Valutazione delle potenziallità applicative ai processi ambientali Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications Contributo al rapporto di avanzamento (T mesi): scelta delle metodologie e sperimentazione sui dati simulati Contributo al rapporto di avanzamento (T mesi): sviluppo ed ottimizzazione delle metodologie. Contributo al rapporto tecnico finale (T mesi): risultati sperimentali relativamente all applicazione del dato iperspettrale PRISMA alla stima dell umidità superficiale ed ai problemi delle aree interessate da incendio. Contributi ai rapporti Tecnici Contributo all aggiornamento del documento PRISMA products and applications Metodologie prototipali per la stima di parametri e feature ambientali

29 WP600: Valutazione delle potenziallità applicative ai processi ambientali WP610 Stima della umidità superficiale INPUT: Dati simulati L1B/L2, o dati L1B/L2 Prisma Elaborazione OUTPUT : Stima umidità superficiale WP 620 Analisi di aree interessate da incendi INPUT: Dati simulati L1B/L2, o dati L1B/L2 Prisma Elaborazione OUTPUT : Analisi aree ineteressate da incendi

30 Punti da definire al KOM Identificazione degli scenari tipici. Identificazione della tipologia dei dati di ingresso al simulatore. Definire due formati dei dati: BSQ o BIL o BIP HDF5 o HDF-EOS Definizione dei sistemi operativi (Linux e Windows 7) e dei linguaggi di programmazione (Html, Java, gnu C/C++). Definizione di un semplice visualizzatore di dati e immagini residente sul server del CNR-IFAC ed accessibile in rete con la possibilità di scaricare i dati. Schema dettagliato del simulatore.

31 Attività propedeutica: Revisione della libreria GEOLIB Individuazione dei dati di interesse per le simulazioni e la validazione. Saranno considerati i dati cartografici, e quelli derivanti da altre campagne di telerilevate (e.g. immagini Hyperion, AVIRIS, e da camere pancromatiche). Utilizzo di un visualizzatore di dati e immagini scritto in Java Studio formati HDF5 e HDF-EOS Schema dettagliato del simulatore

32 Altri elementi tecnici e gestionali Diffusione dei risultati Congressi Internazionali EARSeL Symposium EARSeL Workshop on Imaging Spectroscopy (SIG-IS) SPIE Defense, Security, and Sensing SPIE Optics + Photonics SPIE Remote Sensing OSA Imaging and Applied Optics Riviste Internazionali IEEE Trans. Geo. & Rem. Sensing Optics Express / Optics Letters Applied Optics Journal of the Optical Society of America Journal of Geophys. Research Journal of Modern Optics Optical Engineering

33 Altri elementi tecnici e gestionali Temi ed attività di ricerca rilevanti Sviluppo di algoritmi di correzione atmosferica delle immagini PRISMA. Le caratteristiche più importanti delle procedure ottenute saranno le seguenti: autonomia (totale o parziale), ridotto uso dei dati di calibrazione e validazione, struttura iterativa, impiego del codice MODTRAN per la modellizzazione del trasferimento radiativo in atmosfera. Caratterizzazione del sensore PRISMA (risoluzioni, SNR, modelli di rumore, capacità diagnostica, etc). Tecniche di pre-elaborazione, fusione ed integrazione dei dati. Uso di dati PRISMA per lo studio ed il monitoraggio di alcuni rischi naturali (e.g. frane ed inondazioni).

34 Altri elementi tecnici e gestionali Organizzazione Ricercatore Responsabilità Ivan Pippi PI, WP100, WP400 Luciano Alparone WP200, WP310, WP510, WP530 Stefano Baronti WP300, WP320 Alessandro Barducci WP410 Donatella Guzzi WP420 Andrea Garzelli WP500, WP520 Roberto Carlà WP600, WP610, WP620 Leonardo Santurri ---- Massimo Selva ---- Bruno Aiazzi ---- Luca Capobianco ---- Vanni Nardino ---- Cinzia Lastri ----

35 Per ulteriori informazioni: