ELEMENTI DI TELERILEVAMENTO

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1 ELEMENTI DI TELERILEVAMENTO

2 Generalità Il telerilevamento consiste nel raccogliere, archiviare e successivamente estrarre informazioni di tipo geografico-ambientale da immagini della superficie terrestre acquisite tramite dispositivi che non sono a diretto contatto fisico con la superficie terrestre stessa, ma che sono a bordo di satelliti artificiali o di aerei. I sistemi per telerilevamento (passivi) rilevano e registrano energia elettromagnetica in diverse zone dello spettro, incluse quelle non visibili all occhio umano.

3 Vantaggi del Telerilevamento Fornisce informazioni su grandi porzioni di territorio Fornisce informazioni multitemporali della stessa aerea (dinamica) I sensori remoti guardano in una porzione più larga dello spettro elettromagnetico rispetto all occhio umano I sensori remoti permettono di utilizzare una specifica banda di lunghezze d onda o un numero di bande simultanee per l analisi di un oggetto Fornisce dati georiferiti e digitali

4 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Applicazioni del Telerilevamento Applicazioni forestali ed agricole Monitoraggio ambientale Idrologia e monitoraggio delle coste Pianificazione urbana Emergenze e rischi ambientali Archeologia Monitoraggio ambiente marino Meteorologia Cartografia tematica (uso/copertura del suolo, etc.) Cartografia (dal settembre 1999 con Ikonos 2)

5 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Lo spettro elettromagnetico Visibile ( µm) blu: µm verde: µm giallo: µm rosso: µm Infrarosso vicino (0.7 3 µm) Infrarosso medio (3 6 µm) Infrarosso termico (6 20 µm)

6 Lo spettro elettromagnetico L infrarosso vicino (NIR) si comporta come la radiazione visibile, viene riflesso dalla superficie terrestre e può essere rilevato anche da speciali pellicole fotografiche. Viene chiamato anche infrarosso riflesso o fotografico. L infrarosso medio e termico viene emesso dalla superficie terrestre e per questo viene detto anche infrarosso emesso.

7 Le sorgenti di radiazione elettromagnetica Tutti i corpi con temperatura superiore a 0 K emettono radiazioni che coprono porzioni di spettro variabili in funzione della lunghezza d onda. L energia totale emessa per unità di superficie viene detta eccitanza, quando è riferita a tutto lo spettro, eccitanza spettrale quando è relativa ad una specifica lunghezza d onda. Legge di Planck M aλ 5 = λ ( b/ λt ) e 1 M λ = eccitanza spettrale a = x W m -2 b = x 10-2 m K λ = lunghezza d onda (m) T = temperatura in K

8 Rappresentazione della legge di Planck

9 All aumentare della temperatura, aumenta l intervallo delle radiazioni elettromagnetiche emesse e la quantità totale di energia mentre diminuisce la lunghezza d onda relativa al picco di massima eccitanza. Legge di Wien λ max = 2890 T [ µ m] Da questa legge dipende la scelta del sensore e delle bande più opportune da impiegare a seconda della temperatura dell oggetto da indagare.

10 T [ µ m] Curve dell eccitanza di due corpi con temperature approssimativamente simili a quelle del Sole e della Terra λ max =

11 L eccitanza totale è descritta dall equazione di Stefan- Boltzmann, ottenuta integrando su tutto lo spettro l equazione di Planck: M = σ T 4 σ = costante di Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W m -2 K -4 ) T = temperatura in K Come si può notare l emissione di energia elettromagnetica, nel caso di superficie unitaria di corpo nero, dipende soltanto dalla temperatura assoluta T.

12 W = s i g m a * T ^ Legge Stefan-Boltzmann T(K) Potenza

13 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Interazione REM - materia Tutto quanto detto finora vale per una superficie di corpo nero, cioè una superficie ideale in grado di potere assorbire tutte le radiazioni elettromagnetiche su essa incidenti e di poter emettere energia elettromagnetica in modo continuo su tutto lo spettro secondo la legge di Planck. Per comprendere meglio tale concetto, è necessario accennare alle interazioni fra una superficie qualunque e la REM su essa incidente. E i E a E r E t

14 La radiazione incidente su una determinata superficie quindi può essere assorbita, riflessa o trasmessa: E i = E a + E r + E t Dato un intervallo infinitesimale dλ dello spettro, si definiscono riflettanza, trasmittanza e assorbanza spettrale i rapporti: ρ = E r /E i τ = E t /E i α = E a /E i Questi tre coefficienti, tutti compresi fra 0 e 1, dipendono strettamente dalla natura fisica delle superfici e dal loro grado di rugosità o di lucidatura e sono legati dall equazione: ρ+ α + τ = 1 (1) che rappresenta il principio di conservazione dell energia

15 Il rapporto fra l energia elettromagnetica emessa da una superficie posta alla temperatura T e quella emessa da una pari superficie di corpo nero posta alla stessa temperatura T si definisce emissività ε: ε = M sup. reale /M sup. corpo nero Si può quindi definire come nera una superficie il cui coefficiente di emissività sia uguale ad 1. Kirchoff dimostrò che α = ε, cioè che un buon radiatore è anche un buon assorbitore. L equazione (1) diventa pertanto: ε + ρ + τ = 1 e quindi per i corpi opachi (τ=0) si ha: ε + ρ = 1 Quest ultima equazione esprime il fatto che tanto più le superfici sono riflettenti tanto meno sono in grado di emettere radiazioni elettromagnetiche e viceversa.

16 Le leggi di Planck e di Stefan-Boltzmann valide per superfici reali (corpi grigi) diventano pertanto: M aλ λ ε λ e 5 = b / λt M 1 M = εσt 4 Corpo nero Corpo grigio λ

17 La riflessione Curva di riflettanza: descrive l andamento della riflettanza per una data superficie nell intervallo spettrale µm. Chiaramente la curva di riflettanza di una superficie varia molto in funzione delle condizioni ambientali (periodo dell anno, condizione fisica e chimica della superficie) e di ripresa (geometria Sole superficie sensore). E possibile ottenere delle curve di riflettanza media che, pur avendo valore indicativo in quanto soggette alle variazioni appena descritte, possono dare delle informazioni importanti sul comportamento delle superfici in esame.

18 La riflettanza di una superficie varia da 0 (corpo nero) ad 1 (specchio); non solo, ma essa varia per una stessa superficie anche in funzione della lunghezza d onda dell energia incidente. Ad es. la stessa superficie può riflettere molto nella luce verde e poco nella luce rossa e blu; in questo caso la superficie ci apparirà essenzialmente verde. Dalla composizione delle varie percentuali con cui una superficie riflette le luci blu, verde e rossa nasce il cosiddetto colore : una superficie bianca riflette bene sia il rosso che il verde e il blu. Per ogni superficie si può quindi costruire un grafico (firma o risposta spettrale) che ci informa sulle capacità di riflessione in funzione della lunghezza d onda della radiazione incidente.

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20 La curva di riflettanza dell acqua

21 La curva di riflettanza di diversi suoli nudi a differente contenuto di umidità

22 La curva di riflettanza della vegetazione

23 Riflettanza di conifere e latifoglie Nel visibile non è possibile distinguere le conifere dalle latifoglie Nell infrarosso vicino (λ > 0.7 µm) i valori di riflettanza sono molto diversi e la distinzione è abbastanza agevole

24 2 a Lezione

25 Interazione REM-Atmosfera Nelle applicazioni del telerilevamento l acquisizione dei dati è influenzata dall interazione dell atmosfera con la REM. Occorre quindi sapere quali sono gli effetti atmosferici sulla qualità dei dati telerilevati e qual è quindi la selezione opportuna delle bande spettrali da utilizzare. Gli effetti atmosferici sono dovuti alla diffusione (scattering) e/o all assorbimento dell energia elettromagnetica. Entrambi i fenomeni creano un attenuazione del segnale che giunge al sensore ma anche una riduzione della REM che giunge sulla superficie terrestre.

26 La radiazione elettromagnetica emessa dal Sole Sulla superficie terrestre arriva solo una parte dell energia emessa dal Sole; l atmosfera svolge una funzione di filtraggio

27 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Diffusione La diffusione si verifica quando lungo il percorso la REM è riflessa e/o rifratta dalle particelle che possono essere le molecole dei gas costituenti oppure le particelle in sospensione o le gocce d acqua. Con la diffusione si ha una ridistribuzione direzionale della radiazione senza diminuzione della sua intensità. L energia è diretta fuori del campo di vista istantaneo dello strumento di misura. Se tale campo è molto grande, una parte della radiazione diffusa sarà rilevata lo stesso, se invece è piccolo non lo sarà. In quest ultimo caso si avrà una attenuazione del segnale mentre nel primo caso, essendo presente una radiazione addizionale, un aumento. In ogni caso la diffusione degrada la qualità dei dati ricevuti dal sensore. L intensità della diffusione è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d onda (Rayleigh): pertanto sono diffuse maggiormente le corte lunghezze d onda (UV, Blu, etc.)

28 I UV Violetto Blu Diffusione elevata V A R IR Intensità della luce diffusa in funzione della lunghezza d onda secondo la legge di Rayleigh I 1 4 λ Diffusione bassa λ

29 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Assorbimento L assorbimento atmosferico avviene soprattutto a causa della presenza di molecole di anidride carbonica, vapore d acqua, ozono e ossigeno. La struttura molecolare di questi componenti è tale da provocare, in corrispondenza di determinate lunghezze d onda, una perdita completa del segnale proveniente dalla superficie terrestre (l energia elettromagnetica si converte in energia termica). Tale forte selettività dell assorbimento, se da un lato impedisce il passaggio della REM in corrispondenza di certi intervalli spettrali, consente dall altra l esistenza di bande spettrali ove la REM si propaga con un attenuazione bassa. Tali zone spettrali sono dette finestre atmosferiche.

30 Le finestre atmosferiche (spettrali)

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32 Rappresentazione della interazione REM- Atmosfera

33 Sensori elettro-ottici Per acquisire immagini digitali in differenti bande spettrali (immagini multispettrali) l energia incidente viene suddivisa nelle sue componenti spettrali tramite un elemento dispersivo e focalizzata sui rivelatori dove viene trasformata in corrente elettrica modulata. I sensori elettro-ottici possono essere di due tipi: sensori a scansione meccanica (scanner o wiskbroom) sensori a matrice lineare (pushbroom)

34 L immagine multispettrale

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36 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Scanner (wiskbroom) A. specchio B. Detectors (rivelatori) C. IFOV (Instantaneous field of view) D.Risoluzione a terra E. FOV (Field of view) F. Swath(larghezza immagine) La velocità del vettore e quella di rotazione dello specchio devono avere un sincronismo tale da evitare una sottoscansione (territorio non osservato) o una sovrascansione (sovrapposizione delle linee di scansione)

37 La linea di scansione è ortogonale alla traccia a terra dell orbita Pushbroom Utilizza un ottica a grandangolo mediante la quale una striscia di territorio viene vista contemporaneamente da una linea di rivelatori. Presentano il vantaggio di non avere meccanismi di scansione meccanica; hanno una alta fedeltà geometrica lungo ogni linea di rivelatori. Necessitano però di intercalibrazione fra i rivelatori e la curva di risposta dei rivelatori subisce modifiche nel tempo.

38 Le risoluzioni Spettrale: indica il numero di bande di acquisizione e la loro ampiezza. Radiometrica: sensibilità del rivelatore di un certo sensore nel percepire e codificare in segnale le differenze di flusso radiante riflesso o emesso dalle superfici analizzate. In pratica la risoluzione radiometrica rappresenta il numero di livelli in cui può essere scomposto il segnale originario. Geometrica: dimensioni dell area elementare al suolo di cui si rileva l energia elettromagnetica (pixel). Temporale: periodo di tempo che intercorre tra due riprese successive di una stessa area.

39 Pixel: 10 m 160 x bit (256 livelli) Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio La risoluzione geometrica Pixel: 20 m 80 x 80 Pixel: 40 m 40 x 40 La risoluzione radiometrica 3 bit (8 livelli) 2 bit (4 livelli) Pixel: 80 m 20 x 20 1 bit (2 livelli)

40 V Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Conversione A/D (analogico/digitale) t I valori di tensione V 1,, V n corrispondenti ai tempi t 1,.., t n vengono letti da un voltmetro elettronico e convertiti in valori numerici (campionamento a 8 bit). Al segnale numerico originario, ad ogni riga di scansione, corrisponde una sequenza ordinata di numeri (in forma binaria) e il segnale passa da una descrizione continua ad una discreta. È chiaro che tanto più frequenti sono i campionamenti tanto più ci si avvicina ad una discretizzazione numerica fedele al segnale analogico di partenza ma contemporaneamente aumenta il numero di dati da gestire. V t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t n t

41 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Vettori Sono caratterizzati da un moto di rivoluzione attorno alla Terra che permette ai sensori di bordo di effettuare osservazioni di vaste aree in tempi relativamente brevi. La loro orbita è quasi circolare per produrre immagini alla stessa scala ed è inclinata rispetto al piano equatoriale in modo da avere l osservazione completa della superficie terrestre (98 ) escluse le calotte polari. Presentano una configurazione orbitale (eliosincrona) tale che il passaggio avviene sempre alla stessa ora per le stesse latitudini, mantenendo costanti le condizioni di illuminazione così da minimizzare gli effetti dovuti alle sue variazioni (modifica della risposta spettrale degli oggetti osservati)

42 Le Orbite Satelliti per l osservazione terrestre

43 IKONOS 2 Risoluzione temporale: 3 gg. Dimensione Immagine: 11 km x 11 km Altezza: 681 Km Risoluzione Geometrica 1 m 4 m Possibilità di ripresa stereoscopica Bande nm nm nm nm nm

44 QUICK BIRD Risoluzione temporale: 1-5 gg. Dimensione Immagine: 16.5 km x 16.5 km Altezza: 450 Km Risoluzione Geometrica m m Possibilità di ripresa stereoscopica Bande nm nm nm nm nm

45 3 a lezione

46 Elaborazione digitale delle immagini Il termine elaborazione digitale delle immagini (digital image processing) si riferisce a tutte le operazioni eseguite su un immagine per trasformarla in modo da rendere più agevole l estrazione di informazioni riguardanti gli oggetti in essa rappresentati. Data la grande mole di dati che i sensori di telerilevamento acquisiscono, la messa a punto di procedure automatiche di interpretazione risulta necessaria per contenere i tempi di elaborazione ed ottenere informazioni tempestive e complete sui fenomeni osservati. Noi ci occuperemo soltanto delle procedure che consentono di eliminare o limitare i disturbi e le distorsioni introdotte durante l acquisizione e la trasmissione, rimandando ad altro corso la trattazione completa.

47 L immagine raster

48 Correzione delle immagini Come già detto, i dati raccolti dai sensori per telerilevamento necessitano, prima dell utilizzo nelle applicazioni, di una serie di correzioni per eliminare o limitare i disturbi e le distorsioni introdotte durante l acquisizione e la trasmissione. Questa fase di pre-elaborazione può essere divisa in due classi principali di correzioni: Correzioni radiometriche Correzioni geometriche

49 Durante queste fasi di correzione, il dato acquisito dal sensore, che rappresenta la radianza incidente e viene registrato in forma digitale come DN ad un certo numero di bit, viene trasformato in una informazione relativa alla superficie indagata. In pratica, con le correzioni si passa da un segnale registrato al sensore ad una caratteristica della superficie reale.

50 Servono a calibrare i sensori, eliminare gli errori dovuti al loro cattivo funzionamento e ridurre l influenza dello strato di atmosfera interposto tra il sensore e la Terra. Possono essere divise in: Correzioni radiometriche Calibrazione radiometrica Equalizzazione del sensore Linee e pixel saltati Correzione atmosferica

51 Correzioni geometriche Poiché le immagini telerilevate vengono utilizzate sempre più diffusamente insieme a dati di altre sorgenti, soprattutto cartografiche, è necessario eseguire un processo di correzione che obbliga a rendere l'immagine in esame geometricamente congruente con il riferimento prescelto, sia esso una carta o un'altra immagine. Le immagini da satellite infatti sono soggette a diversi tipi di distorsione geometrica che in generale vengono eliminate ricorrendo a due diverse tecniche di correzione: Correzioni sistematiche Correzioni di precisione

52 Distorsione caratteristiche

53 Correzioni sistematiche Si rendono necessarie per eliminare le distorsioni geometriche dovute agli effetti legati alle caratteristiche del sistema (sensore-piattaforma- Terra) che si mantengono costanti nel tempo. Questi tipi di correzione vengono normalmente applicate alle immagini riprese dai satelliti direttamente presso le stazioni riceventi, prima che questi dati vengano distribuiti agli utenti.

54 Correzioni di precisione Con le correzioni di precisione, oltre che a rendere l'immagine geometricamente coerente con il sistema di riferimento cartografico prescelto (georeferenziazione), si può correggere anche l'effetto dovuto all'orografia (errore d altezza). I sistemi di trasformazione che usualmente vengono adottati per compiere tali correzioni necessitano di un certo numero di punti di controllo a terra (Ground Control Points) e si possono sostanzialmente distinguere in due tipi: - metodo polinomiale: mediante relazioni di tipo polinomiale tra le sole coordinate planimetriche; - metodo di ortorettificazione: mediante relazioni più complesse basate su modelli che tengono conto delle caratteristiche di ripresa e coinvolgono anche l'altimetria, come nel caso di uso di immagini satellitari a fini cartografici.

55 Uso di immagini satellitari a fini cartografici Com è noto, le tradizionali metodologie di aggiornamento e produzione di cartografia sono tutte di natura fotogrammetrica. Dal settembre del 1999 (Ikonos 2) ciò è possibile anche con le immagini satellitari ad alta risoluzione spaziale (geometrica) L uso a fini cartografici di tali immagini richiede la definizione di modelli funzionali per il passaggio tra lo spazio immagine e lo spazio oggetto (terreno) che tengano conto delle inevitabili deformazioni delle immagini stesse. A tale scopo è necessario definire: la tipologia delle distorsioni geometriche appropriati modelli di correzione geometrica.

56 Distorsioni geometriche delle immagini satellitari 1) Dovute al sistema di acquisizione variazioni dell orbita variazioni della posizione del satellite variazioni del movimento del sensore (intervallo di scansione, velocità di scansione, ect.) variazioni degli angoli di vista (FOV) effetti panoramici dell angolo di vista errori degli strumenti di misura (sincronizzazione degli orologi, variazioni della scala del tempi)

57 2) Dovute all osservazione della Terra effetti legati alla presenza dell atmosfera (es. rifrazione) effetti dovuti alla rotazione e alla curvatura terrestre effetti indotti dall altimetria dei particolari (*) effetti dovuti all approssimazione del geoide rispetto all ellissoide di riferimento effetti dovuti alla proiezione dell ellissoide su un piano (rappresentazione cartografica) (*) Errore d altezza P P P s

58 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Modelli per la correzione geometrica delle immagini Possono essere suddivisi in: 1) modelli parametrici (rigorosi) - correggono le distorsioni dovute al sistema di acquisizione (satellite, sensore, ecc.) e all osservazione della Terra (effetti della curvatura terrestre, del rilievo, ecc.) - richiedono la conoscenza delle informazioni legate al tipo di satellite, al sensore, ecc. 2) modelli non-parametrici (software commerciale) - vengono utilizzati quando i parametri del sistema di acquisizione non sono disponibili - non richiedono la conoscenza delle informazioni legate al tipo di satellite, al sensore, ecc.

59 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio I modelli non-parametrici possono essere suddivisi in: funzioni polinomiali 2D funzioni polinomiali 3D funzioni polinomiali razionali 3D (Rational Polynomial Function) Con quest ultimo modello, la trasformazione tra coordinate immagine e coordinate terreno viene espressa tramite il rapporto di due funzioni polinomiali. In particolare, nelle RPF, le coordinate immagine dei punti (i, j) vengono espresse come rapporti tra polinomi contenenti le coordinate a terra (X, Y, Z): i = P1 ( X, Y, Z) P ( X, Y, Z) 2 P3 ( X, Y, Z) (1) j = (2) P ( X, Y, Z) L ordine delle RPF è generalmente < 3, in quanto un ordine superiore non migliora i risultati e richiede un numero molto elevato (>39) di punti di coordinate note (GCPs). Nelle (1) e (2) compaiono infatti 39 coefficienti incogniti. 4

60 Tali coefficienti possono essere stimati a minimi quadrati conoscendo le coordinate di almeno 39 GCPs (in pratica una cinquantina in modo da avere sufficiente ridondanza). La metodologia basata sulle RPF è pertanto puramente analitica e, non essendo riferita ad un particolare tipo di sensore/piattaforma, risulta applicabile in maniera generalizzata. Tale procedura presenta però lo svantaggio di richiedere un numero molto elevato di GCPs. Con i metodi parametrici tale condizione non è invece necessaria perché l approccio è sostanzialmente di tipo fotogrammetrico (equazioni di collinearità).

61 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Ricampionamento Una volta eseguita la correzione geometrica, cioè individuata una nuova matrice corretta e georeferenziata, i pixel si trovano in una nuova posizione, più accurata ma con valori di radianza non più corrispondenti ai valori reali misurati sull immagine. Si pone quindi il problema di attribuire a tutte le celle un nuovo valore radiometrico. E difficile determinare quale valore trasferire in quanto il centro del nuovo pixel non coincide quasi mai con quello del pixel corrispondente nell'immagine originale. Le procedure che consentono di attribuire i valori di radianza dei pixel dell'immagine di partenza alle celle dell'immagine finale corretta vengono comunemente dette tecniche di ricampionamento (resampling). Tre sono gli algoritmi di ricampionamento più diffusi: 1) prossimo più vicino; 2) bilineare; 3) bicubico

62 Corso di laurea in Ingegneria per l ambiente e il territorio Prossimo più vicino (Nearest Neighbour) Il valore di radianza DN (x,y) che viene attribuito al pixel di output è il valore corrispondente al pixel che ha coordinate rigacolonna (r,c) più vicine alle coordinate (x,y) ottenute dalla trasformazione. Operando in tal modo si possono ottenere effetti di scalinatura nella rappresentazione di elementi lineari ma di contro questa tecnica consente di mantenere inalterati i valori dei pixel originali (importante ad esempio nella georeferenziazione di mappe di uso del suolo)

63 Bilineare Il nuovo valore di radianza DN (x,y) viene definito mediante un'interpolazione che coinvolge i quattro pixel più vicini alle coordinate (x,y) ottenute dalla trasformazione geometrica. I valori di radianza originali vengono modificati e l'immagine che ne risulta presenta contrasti meno marcati con passaggi più graduali.

64 Bicubico Si opera un'interpolazione di ordine superiore nella quale vengono coinvolti i sedici pixel più vicini alle coordinate (x,y) ottenute dalla trasformazione geometrica. Da un punto strettamente geometrico questo metodo risulta essere il più fedele, per contro, il contenuto radiometrico viene alterato fortemente. Quindi questa tecnica ben si presta per l'interpretazione visiva dell'immagine ma non deve essere utilizzata per analisi strettamente radiometriche.

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66 Ikonos 2 Eros A1 Immagine della città di Roma ripresa dai satelliti Eros A1 e Ikonos 2 (entrambe con risoluzione 1m)

67 Spot 5 QuickBird Immagine della città di Roma ripresa dai satelliti QuickBird (risoluzione 0.61m) e Spot 5 (risoluzione 2.5 m)