Telerilevamento e SIT Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci

Transcript

1 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio A.A Telerilevamento e SIT Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci Cartografia numerica (2/4)

2 L informazione geografica in formato RASTER La carta è costituita da una matrice di celle ; la cella elementare viene denominata pixel (picture element) ed è caratterizzata da uno specifico attributo, espresso mediante un codice numerico binario (serie di bit) e al quale viene associato uno specifico colore. Un raster viene descritto utilizzando il concetto di risoluzione: - risoluzione geometrica: n di celle/unità di superficie (dpi); - risoluzione radiometrica: n di bit con cui si esprime il contenuto informativo di ciascun pixel (colore) E privo di layers e non esistono gli oggetti: questi ultimi possono essere distinti esclusivamente mediante il contenuto radiometrico (attributo di colore). Non esistono oggetti, intesi come entità autoconsistenti, selezionabili, modificabili, collegabili a un DB,... Un raster deve essere georeferenziato Formati: TIF, BMP, JPG,. georeferenziazione = posizionamento spaziale degli elementi geografici, nel sistema di riferimento cartografico utilizzato

3 Struttura dati RASTER Esempio di codifica numerica ad 1 bit H = numero di pixel orizzontali V = numero di pixel verticali R = n di bit di profondità di colore (risoluzione radiometrica) (0,0) (H,V)

4 Ogni pixel è individuato: - dalla posizione: n. riga, n. colonna (nel sistema di riferimento immagine) - da un valore ad esso associato valore 0-1 (bianco o nero): immagini al tratto 1 bit 2 1 = 2 valori (scala di grigi): immagini monocromatiche 8 bit 2 8 = 256 valori (palette di colori):immagini a colori 8 bit 2 8 = 256 valori (0-255)x 3 (colori R, G, B): immagini a colori 24 bit 2 24 = valori

5 Dimensioni fisiche dei file raster La cartografia numerica raster, specialmente se ad alta risoluzione e a elevata profondità di colore, occupa grandi spazi di memoria Dimensione del file in byte: H pixel Orizzontali file di grandi dimensioni V pixel Vertcali H x V x R/8 [B] R profondità di colore (numero di Bit) Nota: 1kB = 2 10 B = 1024 B; 1MB = B = byte Esempio: 7480 x 5680 x 24bit 121 mb!!! NECESSITA DI METODOLOGIE DI COMPRESSIONE

6 Algoritmi di compressione Gli algoritmi di compressione si suddividono in due categorie: algoritmi NON DISTRUTTIVI (lossless): - non causano perdita di informazioni i contenuti delle immagini rimangono inalterati; - efficienza della compressione relativamente bassa (riduzione di occupazione di memoria minore del 50%); algoritmi DISTRUTTIVI (lossy): - causano un degrado irreversibile basato su processi di semplificazione dell immagine (abbassamento della risoluzione o appiattimento delle tonalità di colore) - effetti non sempre percepibili dall occhio umano; - efficienza di compressione molto elevata (dal 50 al 99%).

7 Formati compressi più diffusi Con compressione lossless: BMP (Windows Bitmap) TIFF (Tagged Image File Format) GIF (Graphics Interchange Format) PNG (Portable Network Graphics) TGA (schede grafiche Targa) Con compressione lossy: JPEG (Joint Photographic Expert Group)

8 Tecniche di compressione NON DISTRUTTIVE RLE (Run Lenght Encoding): compressione "senza perdita" supportata da formati molto diffusi, quali TIFF, BMB, Photoshop CCITT (Comitato Consultivo per la Telefonia e la Telegrafia Internazionali): compressione "senza perdita", applicabile solo a immagini in bianco e nero, supportata, ad esempio, dal formato PDF. LZW (Lemple-Zif-Welch): compressione supportata dai formati di file TIFF, PDF, GIF ed in linguaggio PostScript, utilizzata in particolare per immagini con ampie aree monocromatiche. ZIP: compressione supportata dal formato PDF, utilizzata soprattutto per immagini con ampie aree monocromatiche.

9 Compressione RLE RLE è l'acronimo di Run Lenght Encoding (codifica della lunghezza delle sequenza) e indica un algoritmo lossless molto semplice Serie di pixel dello stesso colore vengono codificate attraverso la lunghezza della serie (n. di pixel) e il colore R R R R R R B R R R V V B B B B compressione 6R B 3R 2V 4B La compressione è molto efficace se l'immagine contiene ampie zone di colore uniforme.

10 Compressione LZW Lemple e Zif presentarono la prima versione nel 1977 (LZ77). Nel 1984, Welch perfezionò l'algoritmo nella versione nota come LZW Il metodo si basa sull'osservazione che la quantità di memoria necessaria per archiviare una stringa è proporzionale al numero di simboli (codici) di cui è composta. R R B R R R B R R R V V B B R V Si può comprimere una stringa impiegando un numero inferiore di simboli per esprimere la stessa informazione

11 Compressione LZW Senza compressione verrebbe memorizzata la sequenza di 16 simboli (o codici): R R B R R R B R R R V V B B R V Nella sequenza si possono riconoscere parti che si ripetono (sottostringhe) e che possono essere indicate con nuovi simboli (o codici). RB α RR β RV γ La stringa potrà essere memorizzata, ad esempio, come la seguente sequenza di 10 simboli: R α β α β γ V B B γ

12 Formato BitMAP (BMP) E un formato universalmente riconosciuto, in quanto standard per la memorizzazione delle immagini, sotto forma di matrici di bit, a partire dalle prime versioni di Microsoft Windows Informazioni memorizzate: - numero di pixel in ogni riga e numero di righe della matrice (dimensione matrice); - numero di bit per pixel valori numerici disponibili per caratterizzare l'informazione associata al pixel; - (eventuale) tabella dei colori, che consente di associare i valori numerici della bitmap a colori specifici. Un file bitmap può contenere immagini a 1, 4, 8, 15, 24, 32 o 64 bit per pixel, in formato compresso o non compresso. La compressione si basa in genere su algoritmi non distruttivi RLE. La compressione è poco efficace riduzione modesta delle dimensioni dei file

13 bitmap immagine tabella dei colori Nell'esempio, ogni pixel è rappresentato da un numero a 4 bit Nella tabella dei colori sono disponibili 2^4 = 16 colori. Ogni colore della tabella è rappresentato da un numero a 24 bit: 8 bit per il rosso, 8 bit per il verde e 8 bit per il blu. I numeri vengono mostrati in formato esadecimale (base 16): A = 10, B = 11, C = 12, D = 13, E = 14, F = 15.

14 Formato TIFF (Tag Image File Format ) Supporta qualsiasi risoluzione e qualsiasi profondità di colore Non è dotato di algoritmi di compressione propri, ma supporta l algoritmo NON DISTRUTTIVO LZW Anche con l impiego di LZW si ottengono file di grandi dimensioni, ma più piccoli del BMP La flessibilità, l affidabilità, gli elevati livelli di compatibilità, l alta qualità a video e in stampa hanno reso il formato TIFF quasi uno standard di riferimento per la cartografia raster Lievi differenze tra i TAG (metadati) dei diversi SW e tra le varie versioni (ad es. v5/v6 e Win/Mac) causano piccole incompatibilità che hanno impedito al formato TIFF di diventare uno standard assoluto 7480 x 5680 x 24 Bit = 121 mb (non compresso) 7480 x 5680 x 24 Bit = 113 mb (con LZW)

15 Formato GIF (Graphics Interchange Format ) Supporta tutte le risoluzioni ma esclusivamente 8 bit di profondità di colore (256 colori o 256 toni di grigio) Creato da CompuServe, uno dei primi operatori di servizi commerciali online (oggi server provider), per trasmettere velocemente in rete le immagini La compressione è basata su algoritmo LZW (non distruttivo) e consente anche di salvare le immagini in un formato interlacciato, che produce una visualizzazione graduale dell'immagine man mano che i dati arrivano al browser. Ad ogni passo si infittiscono le linee di pixel che formano l'immagine e appare un'immagine via via più completa e nitida (possibilità di disporre di un'anteprima dell'immagine mentre la si scarica dal browser). Va molto bene per immagini al tratto, sia in bianco e nero che a colori, meno bene per fotografie e immagini sfumate 7480 x 5680 x 8 Bit 30,6 mb (con LZW)

16 Compressioni distruttive: JPEG Alcune informazioni memorizzate in un file immagine sono ridondanti o addirittura inutili ai fini della percezione sensoriale. La vista dell'uomo, infatti, ha molti limiti e spesso non riesce a percepire tutte le informazioni disponibili. In particolare, l'occhio umano ha recettori di luminanza (bianco e nero) molto più sensibili rispetto a quelli di crominanza (colore) ed è grazie alla luminanza dell'immagine che l'occhio ne percepisce il livello di dettaglio. E dunque possibile, nella memorizzazione di immagini o suoni, eliminare alcune informazioni senza compromettere per questo la qualità percepita. Da questa idea è nato, nel 1991, l algoritmo JPEG (Joint Photographic Experts Group), che interviene separatamente e con diverso peso sulle due componenti dell'immagine (luminosità e colore) e applica algoritmi differenti, che modificano poco la luminosità originaria ma intervengono drasticamente sul colore, ottenendo buoni risultati in termini di compressione senza che la percezione visiva venga sostanzialmente compromessa.

17 Compressioni distruttive: JPEG Garantisce compressioni molto spinte, per cui è diventato quasi uno standard per le applicazioni in cui non siano necessari dettagli particolari (fotografia digitale amatoriale, internet) Basato su algoritmo distruttivo, JPEG funziona molto bene su immagini con campiture sfumate (fotografie, incarnati, paesaggi), meno bene in immagini al tratto (cartografie), dove le linee più sottili vengono alterate. E' possibile configurare il livello di compressione desiderato (ed il relativo decadimento della qualità): 7480 x 5680 x 24 Bit = 57,4 mb (con JPEG12) 7480 x 5680 x 24 Bit = 6,2 mb (con JPEG7) 7480 x 5680 x 24 Bit = 1,9 mb (con JPEG0) ATTENZIONE: la compressione JPEG degrada in modo permanente la qualità dell'immagine salvare il formato originario!

18 Altri formati specifici per cartografia I formati sinora trattati non vengono utilizzati solo per applicazioni cartografiche ma per qualsiasi altro tipo di immagine bitmap. Esistono altri formati di compressione basati su algoritmi ottimizzati (particolare attenzione a linee sottili e punti isolati) per garantire elevata qualità su dati raster cartografici.

19 Formato MrSID (Multiresolution Seamless Image Database) Sviluppato e commercializzato da LizardTech ed oggi supportato nativamente dalla maggior parte dei Software, fornisce elevati livelli di compressione (10-15:1) ed elevati livelli qualitativi. La decodifica dell immagine compressa è di tipo selettivo, ovvero non viene decompresso l intero file, ma esclusivamente la zona d interesse (zoom) Formato ECW (Enhanced Compressed Wavelet) Sviluppato e commercializzato da ER Mapper, è supportato dalla maggior parte dei Software a seguito dell istallazione di specifici plugin gratuiti ( Elevati livelli di compressione (mediamente 10-15:1) e qualità. compressione wavelet

20 Una traformata wavelet discreta (DWT, discrete wavelet transform) corrisponde a un banco di filtri digitali. L'algoritmo di compressione è alla base anche dello standard JPEG2000, successore del formato JPEG. Nella prima fase l'immagine originale viene per prima cosa separata nei vari canali di colore (trasformazione delle componenti). Segue la suddivisione dell'immagine, per ciascuna banda cromatica, in livelli gerarchici (blocchi rettangolari non sovrapposti e successivamente richiamabili indipendentemente). L'immagine viene filtrata, in genere separatamente per righe e colonne, e sottocampionata. Il ricampionamento porta, da una matrice (NxM), a quattro matrici delle dimensioni di (N/2 x M/2), che corrispondono alle quattro combinazioni di filtraggio (passa alto e passa basso) delle righe e delle colonne; ognuna delle immagini può a sua volta essere filtrata e sottocampionata fino al livello desiderato di (multi)risoluzione.

21 Efficienza della compressione nei diversi formati Formato Compressione kbyte mbyte BMP TIF TIF LZW TIF ZIP GIF LZW JPEG Livello 12 (min) JPEG Livello JPEG Livello JPEG Livello JPEG Livello 0 (max) ECW Wavelet

22 Georeferenziazione di un immagine raster GEOREFERENZIARE un qualsiasi dato geografico significa inquadrarlo in un assegnato datum e sistema cartografico. Occorre conferire al raster i corretti parametri di scalatura e posizionamento cartografico in funzione del sistema di riferimento adottato. Solo su un raster correttamente georeferenziato è possibile leggere le coordinate ed effettuare misure. Posizionamento e scalatura errati Georeferenziazione FILE DI GEOREFERENZIAZIONE (World File)

23 FILE DI GEOREFERENZIAZIONE (World File) I formati raster cartografici (GeoTIFF, ERDAS,...) contengono nello header del file i dati di georeferenziazione: parametri che permettono di passare dal sistema di riferimento immagine, dove X = n. colonna e Y = n. riga, al sistema cartografico (E, N). World File E un piccolo file testuale in formato ASCII con estensione composta dal primo e dall ultimo carattere dell estensione del file immagine seguiti da w. *.tif *.tfw ; *.bmp *.bpw ;... Il world file può essere creato attraverso l'inserimento manuale dei parametri di georeferenziazione (ove disponibili) o mediante l'attivazione di procedure automatiche basate sull inserimento di Ground Control Points (GCP).

24 La georeferenziazione di immagini raster GCP (Ground Control Point) punti riconoscibili sul raster e sui quali si impongono le coordinate (note o appositamente rilevate) nel sistema di riferimento cartografico utilizzato. X1, Y1 X2, Y2... Xn, Yn Differenti algoritimi di georeferenz. e ricampionamento dell immagine (lineare, polinomiale di secondo e terzo ordine) in funzione del tipo di deformazioni presenti numero di punti necessari in funzione dell algoritmo scelto punti uniformemente distribuiti su tutta la superficie dell immagine maggiore n migliore risultato

25 FILE DI GEOREFERENZIAZIONE (World File) Esempio di file di georeferenziazione ( world file ) dimensione pixel (a terra) in direzione E [m] rotazione per le righe rotazione per le colonne dimensione pixel in direzione N [m] coordinata E del pixel (1,1) [m coordinata N del pixel (1,1) [m] Può essere ricavato mediante trasformazione affine (6 parametri) E = ax + by + c N = dx + ey + f Origine del sistema di riferimento interno (immagine) al centro del pixel in alto a sinistra N E

26 I sistemi di riferimento cartografici hanno di norma l asse N (coordinate Nord) orientato con il verso l alto, mentre il sistema di riferimento interno ai raster solitamente ha l asse y rivolto verso il basso I files WORLD N segno meno al quarto rigo y x E

27

28 Estensioni e formati file Worl file (file di georeferenziazione).bil: estensione del file raster in formato Band Interleaved by Line. Il file è binario. Il suo World File ha estensione.hdr..bip: estensione del file raster in formato Band Interleaved by Pixel. Il file è binario. Il suo World File ha estensione.hdr..bmp: estensione del file raster in formato Windows Bitmap. Il file è binario..bpw: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato Windows Bitmap. Contiene le coordinate dell angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed eventuali fattori di rotazione. Il formato del file è uguale a quello.tfw..bsq: estensione del file raster in formato Band Sequential. Il file è binario. Il suo World File ha estensione.hdr..cen: estensione del file vettoriale AIMA, contenente punti con i campi degli attributi già predefiniti (PART, SUB e CODPART).DBF: estensione generica dei file archivio in formato DBASE, utilizzato per la memorizzazione degli attributi di archi, punti e poligoni nel formato SHAPEFILE di ArcView..DXF: estensione dei file grafici di AutoCad..DWG: estensione dei file grafici di AutoCad..E00: estensione del file di export di ArcInfo.

29 .FOT: estensione del file raster in formato FOT AIMA. Il file è binario..gaf: estensione del file raster in formato GAF AIMA. Il file è binario..gif: estensione del file raster in formato GIF. Il file è binario..gfw: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato GIF. Contiene le coordinate dell angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed eventuali fattori di rotazione. Il formato del file è uguale a quello. TFW..JPG: estensione del file raster in formato JPEG. Il file è binario..jgw: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato JPEG. Contiene le coordinate dell angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed eventuali fattori di rotazione. Il formato del file è uguale a quello. TFW. HDR: estensione del file di georeferenziazione (World File) di un file raster in formato Band Interlived by Line (.BIL), Band Interlived by Pixel (.BIP) o Band Sequential (.BSQ)..LIM: estensione del file degli archi in formato UNGENERATE di ArcInfo..MIF/MID: estensioni dei file di export di MapInfo. Le classi di oggetti archi, punti, poligoni ed annotazioni vengono salvati in file separati..ntf: estensione del file di export dei dati catastali.

30 .PNG: estensione del file raster in formato PNG. Il file è binario..pgw: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato PNG. Contiene le coordinate dell angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed eventuali fattori di rotazione. Il formato del file è uguale a quello. TFW..POL: estensione del file dei poligoni in formato UNGENERATE di ArcInfo..PTS: estensione del file dei punti in formato UNGENERATE di ArcInfo..SHP: estensione del file delle coordinate (per archi, punti e poligoni) in formato SHAPEFILE di ArcView..SHX: estensione del file di intestazione (per archi, punti e poligoni) in formato SHAPEFILE di ArcView..TIF: estensione del file raster in formato TIFF. Il file è binario..tfw: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato TIFF. Contiene le coordinate dell angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed eventuali fattori di rotazione..tsf: estensione di un file vettoriale TSF Gheo contenente archi, punti, poligoni, annotazioni e quotature..vet/cxy: estensione di un file vettoriale AIMA contenente archi e punti. I punti hanno i campi degli attributi già predefiniti (PART, SUB)

31 Classificazione multitemporale da immagini NOAA 11- AVHRR (Gomarasca, 1997)

32 The Pyramids at Giza, Egypt (29.88N 35.2E), form a substantial complex situated close to the Nile on the edge of the Western Desert. Built between c and 2000BC, the three main pyramids and associated complexes of subsidiary pyramids, temples and bench-like 'mastaba' tombs can be readily seen on a Russian KVR-1000 satellite image of the area.

33 Fotografia aerea della zona ovest di Londra

34 Immagine acquisita dal satellite ERS-1 nel dicembre 1992, dieci giorni dopo l incidente occorso alla petroliera greca Aegean Sea che era arenata sulla costa spagnola. Subito dopo l incidente l aereo addetto al monitoraggio aveva potuto osservare solo l inquinamento vicino alla costa; l immagine dal satellite rivelò che l area interessata dallo sversamento era molto più estesa.