Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio A.A. 2012-2013 Telerilevamento e SIT Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci Telerilevamento: elaborazioni
ELABORAZIONE E ANALISI DELLE IMMAGINI SATELLITARI SISTEMA DI ACQUISIZIONE DISCRETIZZAZIONE DELLA SCENA RIPRESA IN ELEMENTI DI PICCOLA DIMENSIONE (PIXEL) AI QUALI VIENE ASSOCIATO UN NUMERO (DN, Digital Number) CHE NE ESPRIME LA RADIANZA MEDIA IMMAGINE = MATRICE DI NUMERI PIU CANALI SET DI DATI MULTISPETTRALI (Mario A. Gomarasca, Introduzione a telerilevamento e GIS)
FORMATI DI MEMORIZZAZIONE: BIP, Band Interleaved by Pixel (per ogni pixel vengono scritti in sequenza i dati delle diverse bande: pixel (1,1) banda 1, pixel (1,1) banda 2, ); BIL, Band Interleaved by Line (dati delle diverse bande scritti linea per linea: linea 1: banda 1, banda 2,.., banda n; linea 2: banda 1, banda 2,.); BSQ, Band Sequential: dati di ogni singola banda in sequenza in unico file; HDF, Hierarchical Data Format, scelto dalla NASA nel 1993 per i dati dei satelliti del sistema EOS (Earth Observing System), utilizza tre tipi di oggetti: grid, dati immagine su griglie in coordinate geografiche standard; point, dati distribuiti irregolarmente nello spazio e nel tempo; swath, dati ordinati per sequenze di acquisizione.
Visualizzazione dei dati Dati numerici espressi in una scala compresa tra 0 e 255 (8 bit 28 =256 valori) Singola banda scala di grigi: 0 = nero (max assorbimento); 255 = bianco Combinazione di bande color composite: sintesi additiva del rosso, verde e blu (RGB) 16.777.216 colori disponibili (256x256x256 combinazioni possibili) Sintesi additiva (a): blu+verde=ciano; blu+rosso=magenta; verde+rosso=giallo; Sintesi sottrattiva (b): ciano-giallo (o viceversa) = verde; giallo-magenta (o viceversa)=rosso; magenta-ciano (o viceversa)= blu.
Note storiche Isaac Newton (1642-1727) realizzò il primo dispositivo in grado di attuare artificialmente la sintesi additiva cerchio di Newton A partire dell'osservazione dei colori dello spettro (decomposizione di un raggio di luce attraverso un prisma triangolare di vetro), Newton disegnò un cerchio suddiviso in settori colorati così come appaiono nello spettro. Con la rotazione veloce del cerchio, ogni colore rimane impresso nella retina dei nostri occhi per una brevissima frazione di secondo e si fonde con quello successivo. In questo modo, i tre tipi di recettori luminosi presenti nella nostra retina vengono stimolati contemporaneamente. Se i colori sono dosati opportunamente, si ottiene la visione del colore bianco. Thomas Young (1773-1829) teorizzò per primo che tre sono i colori fondamentali della luce.
I colori fondamentali per la sintesi additiva sono i tre a cui sono sensibili i recettori dell'occhio umano: rosso, verde e blu (RGB). Tutti gli altri colori vengono a crearsi come somma di componenti RGB. Addizionando, in varie percentuali, i colori fondamentali otteniamo tutte le possibili tinte, fino alla luce bianca. Esempio di sintesi additiva: sovrapponendo parzialmente un fascio luminoso rosso ed uno verde, si forma il colore giallo I colori complementari, derivati dalla sintesi additiva delle coppie di colori fondamentali, sono: - magenta (rosso+blu); - giallo (rosso+verde); - ciano (verde+blu)
La sintesi additiva viene naturalmente effettuata dall occhio umano, che è dotato di ricettori sensibili ai tre colori fondamentali (cellule cono), e da molti dispositivi che imitano l'occhio umano, come le fotocamere digitali, le telecamere e i monitor, che sintetizzano i colori affiancando pixel colorati diversamente. In pratica un'immagine digitale viene realizzata affiancando tanti puntini alternativamente rossi, verdi, blu. Si ha sintesi additiva anche quando si sovrappongono le luci provenienti da fari diversamente colorati.
Nella sintesi sottrattiva i tre colori fondamentali sono i complementari dei tre colori fondamentali della sintesi additiva: giallo, complementare del blu; magenta, complementare del verde; ciano complementare del rosso. (CMY) CMYK è l'acronimo per Cyan, Magenta, Yellow, BlacK (quadricromia) e indica il modello del colore utilizzato per le stampe digitali, al fine di ottenere il nero (CMY marrone scuro). La lettera K per il nero, anziché la B iniziale, evita confusioni con il Blue.
L'esempio più semplice di sintesi sottrattiva si ha sovrapponendo più filtri colorati: il colore che giunge al nostro occhio è quello che riesce ad attraversare tutti i filtri; ogni filtro sottrae una parte della luce che lo attraversa e questo giustifica il termine sottrattivo. Pittori e disegnatori ottengono le tinte desiderate stendendo strati di colore sovrapposti sul supporto (tela, carta,..) e quindi di fatto realizzano una serie di filtri colorati. Le pellicole fotografiche e cinematografiche a colori producono immagini a colori secondo il principio della sintesi sottrattiva: la pellicola è infatti ricoperta da tre strati sovrapposti di colore giallo, magenta e ciano, ognuno dei quali filtra la rispettiva componente dello spettro elettromagnetico.
Modelli del colore Modelli matematici che descrivono il modo in cui i colori possono essere rappresentati come combinazione di valori o componenti di colore DN del pixel COLORE Red Green Blu 255 0 0 Rosso 0 255 0 Verde 0 0 255 Blu 255 255 0 Giallo 0 255 255 Ciano 255 0 255 Magenta 255 127 0 Arancio 127 0 127 Viola 255 255 255 Bianco 127 127 127 Grigio 0 0 0 Nero -- -- -- -- -- -- -- -- Set di colori = spazio del colore Cubo dei colori RGB
B H Spazio del colore HSB La tonalità (Hue) H viene misurata da un angolo intorno all'asse verticale, con il rosso a 0 gradi, il verde a 120 e il blu a 240. La luminosità (Brightness) B viene rappresentata lungo l'asse verticale, con lo zero che rappresenta il nero e l'uno il bianco. La saturazione (Saturation) S varia da zero ad uno passando dall'asse del cono alla sua superficie. La tonalità (Hue H) indica la tinta percepita e dipende dalla lunghezza d onda dellla radiazione La luminosità (Brightness - B) corrisponde fisicamente alla quantità di energia luminosa riflessa da un colore definibile chiaro o scuro. Una tinta sarà tanto più luminosa quanto meno nero contiene; il rosso chiaro avrà più luce di uno più scuro. La saturazione o purezza (Saturation - S) è I'intensità di un colore e dipende fisicamente dalla distribuzione spettrale. Un colore è saturo quando non contiene bianco. HSB - Hue Saturation Brightness (tonalità, saturazione e luminosità) indica un modo di rappresentare i colori in un sistema digitale. Viene anche chiamato HSV, Hue Saturation Value (tonalità, saturazione e valore), o HSI, Hue Saturation Intensity (tonalità, saturazione ed intesità).
Composizione a falsi colori Verde blu Rosso verde IR vicino rosso
Mario A. Gomarasca
ELABORAZIONE E ANALISI DELLE IMMAGINI TRE FASI DI ELABORAZIONE: 1) pre-elaborazione (pre-processing); 1) visualizzazione ed enfatizzazione (color composite and image enhancement); 1) estrazione delle informazioni (feature extraction).
1) pre-elaborazione (pre-processing) Restauro dell immagine (image restoration): correzione degli errori introdotti in fase di acquisizione (distorsioni geometriche, interferenze atmosferiche, variazioni nella geometria di illuminazione, degrado del sensore). correzioni: - radiometriche e atmosferiche effetto riga saltata valori della riga che sta sotto o sopra o media delle due rumore casuale, pixel spuri media valori dei pixel vicini (finestre di 3x3 o 5x5 pixel) diffusione atmosferica correzione basata su analisi della radianza alle diverse lunghezze d onda angolo di illuminazione - geometriche (deformazioni introdotte dal sistema di ripresa e dalla rifrazione atmosferica) elaborazioni computerizzate
Diffusione atmosferica E dovuta all interazione della radiazione elettromagnetica con particelle di dimensioni confrontabili con quelle della lunghezza d onda diffusione di Raylegh e di Mie Re-irraggiamento da parte dell atmosfera maggiori valori di radianza alle lunghezze d onda più piccole Diffusione di Raylegh effetto foschia (atmospheric haze) inversamente proporzionale alla lunghezza d onda si manifesta più nel visibile che nell infrarosso, più nel blu che nel rosso
Angolo di illuminazione La radianza rilevata dal sensore dipende dall angolo di incidenza della radiazione luminosa solare I dati possono essere normalizzati (ad esempio per omogeneizzare riprese effettuate in diverse stagioni o fasce orarie) dividendo il DN di ogni pixel per il coseno dell angolo di illuminazione del sole DNn = DN/cos
Interferenza atmosferica La radiazione proveniente dalla superficie della Terra attraversa l atmosfera prima di raggiungere il sensore satellitare e viene in parte assorbita dal contenuto atmosferico di gas serra Il vapore acqueo e l anidride carbonica sono gas serra molto efficaci che assorbono la radiazione in lunghezze d onda molto diverse. L ozono agisce come una barriera quasi totale per i raggi ultravioletti e quasi tutta la radiazione nell intervallo di 9,5-10 micrometri viene assorbita
Le lunghezze d onda ove si registra la massima trasmissione della radiazione sono chiamate finestre atmosferiche si dice che l atmosfera é translucida
In alcuni intervalli di spettro dell infrarosso vicino l atmosfera è translucida quasi al 100%, il che rende possibile effettuare osservazioni via satellite con una distorsione atmosferica minima. L intervallo dell infrarosso termico compreso tra 10-12 micrometri si usa nella misurazione delle temperature della superficie del terreno, dell acqua e delle nubi. Anche se il telerilevamento avviene nelle finestre atmosferiche si verifica comunque una certa interferenza per la diffusione e l assorbimento nell atmosfera. Quindi il dato telerilevato spesso può subire leggere distorsioni e si devono effettuare correzioni successive tramite elaborazione digitale dell immagine.
Trasformazione geometrica Se un immagine subisce una trasformazione geometrica, ad esempio per correggere distorsioni o per cambiare sistema di riferimento, i pixel vengono a trovarsi in una nuova posizione rispetto alla scansione la radiometria dei pixel non è più rappresentativa della scena ripresa occorre ricampionare l immagine, assegnando ai pixel nuovi valori di radianza mediante algoritmi di interpolazione
Trasformazioni geometriche e ricampionamento delle immagini
ANALISI STATISTICA DELLE IMMAGINI Istogramma f DN
ANALISI STATISTICA DELLE IMMAGINI f DN
ANALISI STATISTICA DELLE IMMAGINI Istogramma Istogramma della banda TM4 Landsat, vicino IR (0,76-0,90 m) (primo picco =acqua; secondo picco = suolo)
Istogramma e parametri statistici
Scatterogramma Lo scatterogramma consente di analizzare la separabilità spettrale dei singoli oggetti presenti nella scena osservata: la disgiunzione delle ellissi (cluster o nuvole) in uno scatterogramma bidimensionale indica una completa separabilità degli oggetti.
(Mario A. Gomarasca, Op. cit.)
ENFATIZZAZIONE DELLE IMMAGINI
alcune tecniche: a) che non alterano i valori dei DN: composizioni in falsi colori density slicing b) che alterano i valori dei DN:stretching (enfatizzazione spettrale) filtraggio (enfatizzazione spaziale)
Composizione in falsi colori Mario A. Gomarasca
Stretch Miglioramento del contrasto
Tecniche di classificazione delle immagini Mappa tematica Rappresentazione alfa-numerica
Classificazione non guidata (unsupervised) Prescinde dalla conoscenza della realtà al suolo i pixel vengono raggruppati in famiglie (clusters) esclusivamente in base ai valori di radianza. Due fasi: 1) Si individuano, con criteri statistici, e si forniscono al programma di elaborazione, i nuclei iniziali o centroidi con specifiche caratteristiche spettrali intorno ai quali saranno accorpati i pixel con caratteristiche spettrali simili; 2) Si determina la classificazione tematica delle aree individuate associando ad ogni cluster una categoria di sito (terreno spoglio, vegetaziojne, edificato, acqua, )
Classificazione guidata (supervised) Basata su controlli al suolo conoscenza di aree campione (Mario A. Gomarasca, Op. cit.)
Classificazione ibrida Procedura operativa: