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TelerilevamentoCorso di TelerilevamentoEsame di Monitoraggio Ambientale del Territorio             Marco Moriondo         ...
TelerilevamentoDefinizioneIn generale: Per Telerilevamento (RemoteSensing - RS) si intende l’osservazione di unadata area ...
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Telerilevamento    La realtà fisica                  V     T              ATre tipi di copertura del                      ...
TelerilevamentoAcquisizione dei dati     V T     A
TelerilevamentoAnalisi ed elaborazione datiLe tre bande generano uno spazio tridimensionale: lo spaziomultispettrale      ...
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Telerilevamento  I SatellitiAttorno alla terra ruotano inorbita diversi satelliti lanciati dadiversi paesi e aventi scopim...
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TelerilevamentoPrincipali famiglie di satellitiLandsatSPOTIRSIKONOSQUICKBIRDENVISATERSAVHRR/NOAA
TelerilevamentoSatelliti e sensori
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TelerilevamentoLandsat 7 ETM
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TelerilevamentoRiepilogo
TelerilevamentoSensori iperspettrali
Telerilevamento  I dati sensori multispettraliUn’immagine multispettrale:per ogni banda k viene registrata lamedesima scen...
Telerilevamento   Indagini a terra a supporto• Le indagini a terra sono importanti per avere una  effettiva informazione d...
Telerilevamento  Training area• Devono essere rappresentative• I rilievi devono essere condotti in  concomitanza del passa...
Telerilevamento    Utilizzo dati training area• Correzione e calibrazione dei dati telerilevati (effetti  dovuti all’atmos...
Telerilevamento Elaborazione delle immaginiElaborazione immagini: tutte le operazioninecessarie per rendere più agevole l’...
Telerilevamento   Pre-processamento immaginiTutti quei procedimenti per correggere tutti queglierrori, rumore, distorsioni...
Telerilevamento   Correzioni geometricheCorrezioni geometriche: servono ad eliminare deformazioni dovute al sistema di rip...
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Telerilevamento  Classificazione UnsupervisedÉ una classificazione cheprescinde dalla conoscenzadella realtà al suolo.L’al...
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Telerilevamento     Matrice di confusione                                                  La matrice di confusione       ...
TelerilevamentoComportamento spettrale dellavegetazione   Assorbimento Clorofilla                                         ...
Telerilevamento   Comportamento spettrale   vegetazione• La vegetazione ha comportamenti specifici a varie lunghezze  d’on...
Telerilevamento Comportamento spettrale vegetazioneIl comportamento spettrale delle diverse specie vegetalidifferisce in f...
Telerilevamento Indici di VegetazioneGli indici di vegetazione trovano concreto utilizzo in:• Studio e stima della biomass...
Telerilevamento Indici di Vegetazione• NDVI = Normalized Difference Vegetation Index                            NIR − RED ...
Telerilevamento  Altri Indici di VegetazioneTSAVI = Transformed Soil Adjusted Vegetation IndexSAVI = Soil Adjusted Vegetat...
Telerilevamento     Altre Principali Applicazioni del     Telerilevamento (cenni)•   Metereologia•   Climatologia•   Idrol...
Telerilevamento  Meterologia• studio composizione e comportamento  atmosfera sopra regioni più o meno  estese per periodi ...
Telerilevamento  ClimatologiaStudi sull’atmosfera chesuperano i 5 giorni:•Bilancio energetico eradiativo fra terra eatmosf...
Telerilevamento  IdrologiaStudio della presenza, distribuzione eproprietà fisiche dell’acqua e dellesue interazioni con l’...
Telerilevamento Geologia e Geomorfologia• Conoscendo la risposta spettrale di alcuni  tipi di roccia, funzione del tipo e ...
TelerilevamentoAmbiente antropizzato• Individuazione di tutti quei fenomeni  di aumento del consumo di suolo• Discariche e...
Telerilevamento Rischio e disastri• Analisi di tutti quei fattori che  possono avere come conseguenza  rischi e/o disastri...
Telerilevamento Ecologia, conservazione e gestione delle risorse• Mappatura delle associazioni vegetali e nella  stima di ...
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Ambiente4e telerilevamento

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Ambiente4e telerilevamento

  1. 1. TelerilevamentoCorso di TelerilevamentoEsame di Monitoraggio Ambientale del Territorio Marco Moriondo Camilla Dibari marco.moriondo@unifi.it Tel.: 055 328 8257Dipartimento di Scienze Agronomiche e Gestione del Territorio Agro-forestale DISAT Università di Firenze
  2. 2. TelerilevamentoDefinizioneIn generale: Per Telerilevamento (RemoteSensing - RS) si intende l’osservazione di unadata area da parte di un dispositivo posto aduna certa distanza.In pratica: Insieme di tecniche, strumenti emezzi interpretativi che permettono la ripresa adistanza di oggetti attraverso la captazionedelle radiazioni emesse o riflesse dagli stessi(Gomarasca)
  3. 3. Telerilevamento PrincipiCapacità di differenziare il maggior numeropossibile di elementi/oggetti sul territorio (suolo,vegetazione, urbanizzato, ecc.) sulla base dellecaratteristiche spettrali alle diverse lunghezzed’onda alle quali sono sensibili i vari sensori.principio fisico: qualunque superficie ext di un corpo, se atemp > 0 assoluto, emette radiazioni elettromagneticheproprie che dipendono dalla temp del corpo e dallecaratteristiche fisico/chimiche/geometriche della suasuperficie. Riflette, assorbe o lascia passare invece leradiazioni elettromagnetiche provenienti dall’esterno.
  4. 4. Telerilevamento Perché si usaPunto centrale degli studi sui fenomeni ambientali èl’osservazione delle loro caratteristiche e lamisurazione dei parametri che li contraddistingonoTali informazioni possono essere ottenute tramiteanalisi dirette (acquisizione “in situ”) o tramitel’elaborazione di dati rilevati da apparecchi posti suaerei, palloni o satelliti (telerilevamento)In situ = più costose + peggior visione d’insiemetelerilevamento = meno costose + spazializzate
  5. 5. Telerilevamentoda Aereo - da SatelliteAereo: sensore posto a bordo di unaereo (spesso macchina fotografica avolte sensori multispettrali come es.MIVIS). Immagine Fotografica:rappresentazione del territorio perattivazione di un processo chimico sullapellicola da parte della energiaelettromagnetica provenientenaturalmente dalla superficie terrestre.Satelliti: hanno a bordo dei sensori chemisurano l’energia riflessa dalle superficidei vari corpi della sup. terrestre.
  6. 6. TelerilevamentoRS e altre discipline Geodesia Rilevamento a terra Fotogrammetria etc. Dati di supporto Cartografia tematica Telerilevamento Analisi GIS ↑Fotointerpretazione ↑ Utenti Fotogrammetria Sviluppo
  7. 7. Telerilevamento Campi di applicazione Meteorologia Climatologia Idrologia Oceanografia Geologia Agricoltura Foreste Uso del suolo Inquinamento (marino, atmosferico,ecc.) Ambiente antropizzato Rischi e disastri Ecologia
  8. 8. Telerilevamento Lo spettro elettromagneticoInsieme continuo delle onde elettromagnetiche ordinate secondo laloro frequenza, lunghezza o numero d’onda Bande maggiormente utilizzate in RS - Visibile - Infrarosso vicino (NIR) - Infrarosso termico - Microonde 0.4-0.7µ Altre bande come ad esempio Ultravioletto, Radio, Raggi X sono usate in astronomia
  9. 9. Telerilevamento Radiazione elettromagnetica Leggi La superficie di un corpo può: 1. assorbire la radiazione incidente, 2. riflettere la radiazione incidente, 3. trasmettere la radiazione incidente, 4. emettere radiazione propriaN.b.: Tali caratteristiche sono in funzione della specifica lunghezza d’onda della radiazione.
  10. 10. Telerilevamento Firma spettrale Funzione che descrive la riflettività di un corpo in V funzione della lunghezza d’onda della radiazione T incidente. La firma spettrale può essere determinata mediante analisi di laboratorio (spettrometri). ATre tipi di copertura del suolo:A = Acqua,T = Terreno nudo,V = Vegetazione
  11. 11. Telerilevamento Concetti di radiometriaEnergia Radiante = energia associata alle onde elettromagnetiche(Joule)Flusso Radiante = quantità di energia irradiata per unità di tempo frauna sorgente e un’unità ricevente (Watt)Radianza = flusso radiante tot emesso da una sorgente per unità diangolo solido ovvero quantità di luce emessa (o riflessa, o trasmessa)attraverso una particolare sezione, e diretta verso un determinatoangolo solido in una direzione indicata.Riflettanza = percentuale di energia radianteche viene riflessa (varia tra 0 e 1). Dipende dallastruttura geometrica delle superfici e dalla naturadei corpiAssorbanza = rapporto fra flusso radiante assorbito e quello incidentesu una determinata superficie (varia fra 0 e 1) Trasmittanza = rapporto fra flusso radiante trasmesso e quello incidente su una determinata superficie (varia fra 0 e 1)
  12. 12. Telerilevamento Componenti RSSorgente di energia:Naturale (sole) o Artificiale(radar)Atmosfera: variazioni diintensità e distribuzionespettraleInterazione energia/materia sulla superficie terrestre: diversocomportamento degli oggetti nei confronti della riflessione edell’emissione di energia elettromagnetica (firma spettrale)Sensori: registrazione dell’energia riflessa emessa dallasuperficie . Non esiste un sensore che copra l’intera gammadello spettro
  13. 13. Telerilevamento L’atmosferaL’atmosfera contiene numerosi GAS(vapore acqueo, CO2, O2, ecc.) e ancheparticelle in sospensione.Queste componenti emettono pertantoradiazioni elettromagnetiche in tutte ledirezioni producendo pertantocambiamenti profondi sia sull’intensitàsia sulla composizione spettrale dellaradiazione elettromagnetica cherealmente ritorna al sensore(scattering) .Inoltre parte della radiazione incidente viene assorbita dall’atmosfera acausa del traferimento di parte dell’energia stessa alle molecoledell’atmosfera.Parte della radiazione viene infine anche ulteriormente deviata in quantopassa da un mezzo trasmissivo ad un altro (rifrazione)
  14. 14. Telerilevamento Interazione energia-materiaI fenomeni fisici che avvengononell’interazione fra energia elettromagneticae il suolo sono: La proporzione fra questi fenomeni è molto diversa per •Riflessione I vari elementi della terra e •Trasmissione varia in funzione della lunghezza d’onda. Allora è •Emissione possibile distinguere oggetti in base alle loro proprietà spettrali (FIRMA SPETTRALE)
  15. 15. Telerilevamento Riflessione Vegetazione La vegetazione è una delle classi che meglio si distingue tramite telerilevamento perchè ha una firma spettrale unica e tipicaEi energia incidenteEa energia assorbitaEt energia trasmessaEr energia riflessa
  16. 16. Telerilevamento Strumenti RSPassivi: misurano le radiazioniprovenienti dalla superficie investigata(siano esse riflesse o prodotte sullasuperficie) La tipologia e la qualità delle immagini dipendono dalle tecniche di acquisizione e di restituzione e dalle lunghezze d’onda prescelte che esaltano più o meno un determinato oggetto/fenomeno rispetto ad un altro.
  17. 17. Telerilevamento Strumenti RSAttivi: determinati sensori sono in gradodi emettere un’energia elettromagneticatramite un emettitore (radar) e vengonopoi registrate le onde riflesse dallasuperficie (radiazione di backscattering),il tempo di ritorno di tali onde e l’intensitàdi riflessioneConsentono di localizzare oggettiriflettenti sulla superficie terrestre e diriconoscerli in base al lorocomportamento. Il loro funzionamento è indipendente da illuminazione solare (funzionano anche di notte) e operano in qualsiasi condizione metereologica. Molto importante orografia del terreno (pendenza, esposizione rispetto alla direzione di osservazione del radar)
  18. 18. Telerilevamento Dati utilizzati in RSTipologia:-Dati telerilevati-Dati derivati da rilievi a terraMolteplicità:- Multistazione: nello stesso tempo da più sensori,installati su piattaforme diverse- Multispettrale: nello stesso momento ma dadiverse bande dello spettro elettromagnetico-Multitemporale: in tempi diversi, rilevate dallostesso sensore
  19. 19. Telerilevamento Fasi di lavoro RSI dati telerilevati e quelli rilevati a terra vengono elaborati daopportuni software (Idrisi, Erdas, PCI, GRASS, ecc.) dotati distrumenti ottici, elettronici e meccanici. Il tecnicoprofessionista diventa essenziale nella fase di interpretazionein quanto associa un significato ai risultati Riprese Fonti diverse Dati telerilevati Dati di riferimento Elaborazione Interpretazione, uso dei dati
  20. 20. Telerilevamento La realtà fisica V T ATre tipi di copertura del Ogni tipo di copertura riflette una certasuolo: frazione ρ della radiazioneA = Acqua elettromagnetica differente per ogniT = Terra nudo lunghezza d’onda λV = Vegetazione La funzione ρ(λ) è la firma spettrale del tipo di copertura A. Dermanis, L. Biagi
  21. 21. TelerilevamentoAcquisizione dei dati V T A
  22. 22. TelerilevamentoAnalisi ed elaborazione datiLe tre bande generano uno spazio tridimensionale: lo spaziomultispettrale I valori di un pixel nelle tre bande costituiscono le sue coordinate nello spazio Pixel corrispondenti allo stesso tipo di copertura (classe) hanno valori simili nello spazio multispettrale Pixel in classi diverse hanno valori differenti A. Dermanis, L. Biagi
  23. 23. TelerilevamentoTipologie di immagini Pancromatiche o monocromatiche: a ciacun punto dell’immagine è associata una intensità luminosa espressa in toni di grigio (dal nero = 0 al bianco = 255)A colori: sovrapposizione diimmagini monocromatiche,ciascuna delle quali è associataad un colore fondamentale A. Dermanis, L. Biagi
  24. 24. Telerilevamento Immagini multispettraliMutispettrali : sovrapposizione di più immagini ad ognuna dellequali sono associate un insieme di lunghezze d’onda
  25. 25. Telerilevamento Risoluzione dei sensori• Geometrica o spaziale = minima distanza fra due oggetti che il sensore può distinguere. Immagine costituita da insieme di elementi di base chiamati pixel (picture element). maggiore n°di pixel => maggiore la risoluzione, a parità di immagine• Radiometrica = numeri di livelli discreti in cui può essere suddiviso il segnale ricevuto• Spettrale = lunghezza della banda (intervallo di lunghezze d’onda) del canale di ricezione utilizzato dal sensore. Maggiore n°bande => maggiore risoluzione• Temporale = intervallo di tempo che intercorre fra due riprese successive su una stessa area Cresce quando l’intervallo temporale fra due passaggi successivi su una stessa area diminuisce
  26. 26. Telerilevamento Classificazione delle immaginiSpettralePancromatiche Scala di grigi sullo spettro visibileMultispettrali In genere B/G/R + una o più bande in infrarossoIperspettrali ≅ 100 bandePan-sharpened Fusione di pancromatico e multispettraleSpaziale Risoluzione (m) Definizione Scala di applicazione 0.5 – 1 Altissima 1:1000 - 1:10000 1 – 4 alta 1:10000 - 1:15000 4 – 12 media 1:15000 - 1:25000 12 – 50 bassa 1:25000 - 1:100000 50 – 250 molto bassa 1:100000 - 1:500000 > 250 Bassissima < 1:500000
  27. 27. Telerilevamento I SatellitiAttorno alla terra ruotano inorbita diversi satelliti lanciati dadiversi paesi e aventi scopimolto diversi (militare,ambientale, metereologico,ecc.) Generalmente quelli metereologici sono geostazionari, mentre gli altri fanno generalmente un’orbita quasi polare ed il loro periodo di rivoluzione è variabile (Landsat 16 gg)
  28. 28. Telerilevamento perchè Satelliti?• Effettuano orbita regolare• Immagini relativamente economiche (Ikonos: 16 Euro/Kmq)• Ripetizioni relativamente frequenti (Landsat 7 TM ogni 16 giorni)• Possibilità di analisi ambientali e territoriali multitemporali e multispettrali
  29. 29. Telerilevamento Requisiti fondamentali1. osservare la Terra quando è illuminata dal Sole: orbita eliosincrona (solo per satelliti con sensori passivi)2. osservare la maggior parte possibile del pianeta il più spesso possibile: basso ciclo di ripetizione3. osservare la Terra da distanza costante: orbita circolareN.B.: Tutti i parametri d’orbita sono univocamente determinati dalle leggi di Keplero, una volta scelto il ciclo di ripetizione/la quota di volo. SPOT4
  30. 30. TelerilevamentoPrincipali famiglie di satellitiLandsatSPOTIRSIKONOSQUICKBIRDENVISATERSAVHRR/NOAA
  31. 31. TelerilevamentoSatelliti e sensori
  32. 32. Telerilevamento La serie LandsatGestito dalla NASA. Orbite circolari polari sincrone con il sole a circa800 km di quota. Risoluzione temporale 16 gg. Molto utilizzato per studisulla vegetazione – agricoltura e foreste•Landsat 1: dal 1972 al 1978,MSS, RBV•Landsat 2: dal 1975 al 1982,MSS, RBV•Landsat 3: dal 1978 al 1983,MSS, RBV•Landsat 4: dal 1982 al 1995,MSS, TM•Landsat 5: dal 1984, MSS(spento), TM•Landsat 6: lancio fallito•Landsat 7: dal 1999, ETM+
  33. 33. TelerilevamentoLandsat 7 ETM
  34. 34. Telerilevamento La serie SPOT•SPOT 1: dal 1986 al 1994, 2 HRV Satellite francese lo SPOT 4 fu•SPOT 2: dal 1990, 2 HRV lanciato con a bordo il sistema•SPOT 3: dal 1993 al 1997, 2 HRV VEGETATION. Orbita polare eliosincrona a quota circa 850 km•SPOT 4: dal 1998, 2 HRVIR, VGT•SPOT 5: dal 2002, 2 HRG
  35. 35. Telerilevamento Satelliti di nuova generazioneIKONOS in orbita dal 1999 risoluzione spaziale 4metriBanda (µ λ (µm)Pan 0.45-0.90 PancromaticoMS1 0.45-0.53 BluMS2 0.52-0.61 VerdeMS3 0.64-0.72 RossoMS4 0.77-0.88 Infrarosso vicino QuickBird 4 bande: PAN + Multispettrale risoluzione: P: 0.61 × 0.61 m, MS: 2.44 × 2.44 m, 11 bit ciclo di ripetizione: ≅ 5 giorni al nadir Prese fuori nadir (45°e 25°rispettivamente)
  36. 36. TelerilevamentoRiepilogo
  37. 37. TelerilevamentoSensori iperspettrali
  38. 38. Telerilevamento I dati sensori multispettraliUn’immagine multispettrale:per ogni banda k viene registrata lamedesima scena pixel xij
  39. 39. Telerilevamento Indagini a terra a supporto• Le indagini a terra sono importanti per avere una effettiva informazione degli aspetti sul suolo.• Occorre selezionare piccole porzioni di territorio rappresentative training area scelti in base ai seguenti criteri: Obiettivi dello studio Periodo migliore per eseguire osservazioni in riferimento al passaggio del satellite Numero e dimensioni delle aree necessarie Dati da acquisire Personale, mezzi e risorse necessari e costi
  40. 40. Telerilevamento Training area• Devono essere rappresentative• I rilievi devono essere condotti in concomitanza del passaggio del satellite• Devono essere omogenee• Avere una dimensione congrua a ciò che rileva il sensore• Devono essere in numero rappresentativo• Devono essere scelte sulla base di criteri soggettivi/oggettivi
  41. 41. Telerilevamento Utilizzo dati training area• Correzione e calibrazione dei dati telerilevati (effetti dovuti all’atmosfera, all’angolo di illuminazione della radiazione incidente, all’angolo di vista del sensore);• Relazioni fra proprietà radiative e fisiche degli oggetti per avere esatte interpretazioni e correlazioni fra sensore – realtà fisica indagata (riconoscimento della firma spettrale caratteristica)• Identificazione degli aspetti o dei materiali della superficie quali il tipo di coltura, il tipo di foreste, il tipo di roccia, aree infestate• Verifica delle prestazioni e delle procedure utilizzate per l’interpretazione (classification accuracy assessment)
  42. 42. Telerilevamento Elaborazione delle immaginiElaborazione immagini: tutte le operazioninecessarie per rendere più agevole l’estrazione diinformazioni degli oggetti in essa rappresentatiImmagine satellitare è una immagine digitalecaratterizzata da una distribuzione a due dimensionidi pixel, dove a ciascun pixel è associato un numerointero positivo (Digital Number - DN) che rappresentala radianza media misurata su una piccola area delsensore (risoluzione spaziale) normalizzato ad unvalore dipendente dal numero di bit utilizzati perrappresentarlo. Ogni pixel è caratterizzato da tantiDN quante sono le bande spettraliPreprocessamento – Processamento vero e proprio
  43. 43. Telerilevamento Pre-processamento immaginiTutti quei procedimenti per correggere tutti queglierrori, rumore, distorsioni introdotte durantel’acquisizione e la trasmissione delle immaginidovute ai sensori, atmosfera e dal satelliteObiettivo: produrre un’immagine corretta e che siageometricamente e radiometricamente più possibilevicina alle caratteristiche di radianza della scenaoriginaleAlcune di queste elaborazioni vengono effettuatedalle ditte che vendono le immagini.
  44. 44. Telerilevamento Correzioni geometricheCorrezioni geometriche: servono ad eliminare deformazioni dovute al sistema di ripresa. Sono indispensabili per la registrazione e mosaicatura di più immagini.Cause:• rifrazione atmosferica• diversa velocità di scansione lungo una linea• assetto della piattaforma su cui è installato il sensore• Variazione di altezza della piattaforma• Rotazione della terra durante la ripresaLe trasformazioni geometriche vengono applicate tramite correzioni sistematiche, cambiamenti di scala, rettificazioni. Come risultato si ha che ciascun pixel si trova in una nuova posizione, più accurata.
  45. 45. Telerilevamento Rettificazione - RegistrazioneLa rettificazione delle immagini ogeoreferenziazione è il processo di correzione chepermette di proiettare i dati telerilevati su di unpiano conformemente ad un sistema di proiezionicartograficheConsiste nel dare dellecoordinate (reali o dimappa) ai pixel delleimmagini.Registrazione immagini:operazione che consente diricondurre due o piùimmagini ad un unicosistema, ovvero permette di rendere 2 immagini coincidenti l’una all’altra pixel per pixel
  46. 46. Telerilevamento GeoreferenziazioneNel processo di rettificazione occorre individuare dei punti diriferimento sull’immagine che corrispondono a specificielementi al suolo per i quali sono note le coordinategeografiche (GCP = Ground Control Points)Le coordinate possono essere rilevate aterra tramite un sistema GPS.Tramite l’utilizzo di equazionipolinomiali, è possibile convertire lecoordinate sorgenti dell’immagine inquelle geografiche.Le immagini si dicono Geocodificatequando hanno subito una correzioneradiometrica e geometrica.
  47. 47. Telerilevamento RicampionamentoL’operazione di ricampionamento (resampling) serve adassegnare I valori dei pixel nell’immagine rettificata a partire daquelli nell’immagine di partenza. In pratica tramite delle formuledi interpolazione matematica viene fatta una stima dei nuovivalori di radianza e quindi dei nuovi numeri digitali (DN) dei pixelAlgoritmi di campionamento:-Nearest neighbor: il nuovo DNè dato dal numero digitale delpixel che ha coordinate piùvicine-Bilinear: il nuovo DN è datodalla media pesata dei valoridei 4 pixel dell’intorno piùvicini -Cubic: il nuovo DN è dato sulla base dei 16 pixel più vicini
  48. 48. Telerilevamento IstogrammaL’istogramma delle frequenze è lo strumento di basee più importante per l’elaborazione delle immaginispettrali.É la rappresentazione della funzione di distribuzionedel numero di pixel aventi un certo valore di DNSull’asse delle ascisse sono riportati i valori di DN(da 0 a 255 per immagini a 8 bit) e sulle ordinate ilnumero di pixel aventi quel valoreMediaMedianaModaDeviazione standard parametri molto importanti
  49. 49. Telerilevamento Tecniche di enfatizzazioneSono tecniche per il miglioramento spettrale delle immagini peraccentuare o meno determinati fattori come il contrasto, la tessitura, laforma, il colore agendo sull’istogramma.• Accentuazione del contrasto tramite redistribuzione dei livelli di grigioapplicando algoritmi lineari (redistribuzione uniforme) o no(redistribuzione non uniforme)•LUT (Look Up Table) sono tabelle di trasformazione per modularel’intensità dell’immagine•Falso colore•Contrast matching viene cambiata la forma dell’istogramma•Algebra delle immagini applicate a determinati valori di pixel•Miglioramento multispettrale compressione di informazioni a più bande •Analisi delle componenti principali (PCA – Principal Component Analysis)
  50. 50. Telerilevamento Risultati enfatizzazioneLe 3 bande originali di un’immagine Landsat TM e il loro istogrammaLe medesime 3 bande dopo l’accentuazione lineare e il loro istogramma
  51. 51. Telerilevamento Classificazione immaginiUna volta corrette, le immaginivengono elaborate per estrarcidelle informazioni tramite variemetodologie:Analisi visiva è molto utileper fini geologici,idrogeologici o per primeanalisi di coperture delsuoloClassificazione (guidate“supervised” o non guidate“unsupervised”)
  52. 52. Telerilevamento Classificazione UnsupervisedÉ una classificazione cheprescinde dalla conoscenzadella realtà al suolo.L’algoritmo di classificazioneanalizza l’insieme di dati inmodo da raggrupparli in uncerto numero di famiglie ocluster SOLO in base ai valoridi radianza dei pixel In pratica vengono usate delle operazioni statistiche di raggruppamento dei pixel. N.B.: Affinché un cluster rappresenti una sola classe, la distribuzione dei valori di pixel, per ciascuna caratteristica del suolo deve essere unica e discontinua (molto raro in natura)
  53. 53. Telerilevamento Classificazione SupervisedSi basa sulla conoscenza a prioridelle informazioni che si voglionoestrarreVengono utilizzate delle areecampione (training area)caratteristiche e i valori di DN deipixel in esse ricadenti vengonoutilizzati per classificare l’interascena Il classificatore compara la firma spettrale di ciascun pixel dell’immagine con la firma delle aree training. Se firme simili, allora il pixel verrà aggregato a quella classe, altrimenti verrà scartato
  54. 54. Telerilevamento Caratteristiche classificatoriNell’ambito della classificazione guidata èpossibile utilizzare diversi algoritmi: • Massima verosimiglianza: I pixel vengono assegnati alla classe per cui è maggiore la probabilità condizionale • Minima distanza: vengono calcolate le distanze medie fra i pixel • Parallelepipedo: delimita delle regioni multispettrali tridimensionali • Fuzzy sets: logica sfocata • Reti neurali: indipendenza dalla conoscenza a priori della distribuzione statistica dei dati
  55. 55. Telerilevamento Stima accuratezza ClassificazioneOgni classificazione prodotta deve essere sempre sottoposta aduna operazione di verifica del suo livello di accuratezza, ovvero ènecessario valutare se ciò che rappresenta è conforme alla veritàa terra.Tale verifica è di fondamentale importanza per coloro chedovranno, in futuro, utilizzare la carta.Uno dei metodi è la costruzione di una Matrice di Confusione(Confusion Matrix), tramite la quale le mappe prodotte con quelclassificatore vengono confrontate (pixel per pixel) con i dati diverità a terra (diversi dalle aree training eventualmente utilizzateper classificare)
  56. 56. Telerilevamento Matrice di confusione La matrice di confusione è una griglia quadrata in cui il numero di righe e di colonne è dato dal numero delle classi oggetto di verifica (quelle quindi della classificazione da satellite) e quelle rilevabiliAccuratezza totale= (23+8+30)/(23+5+3+8+3+30) = = 84,7% a terra.Gli elementi della matrice sono il numero di pixel che una proceduraassegna ad una determinata classe. La diagonale della matricerappresenta i punti di incrocio fra il classificato e la verità a terra, ovveroil numero dei pixel in cui classificazione e realtà coincidono per la stessaclasse, e quindi ritenuti corretti. Gli elementi al di fuori della diagonalesono invece errori di classificazione
  57. 57. TelerilevamentoComportamento spettrale dellavegetazione Assorbimento Clorofilla Assorbimento acqua Struttura parenchima fogliare B G R Infrarosso vicino Infrarosso medio- lontano visibile
  58. 58. Telerilevamento Comportamento spettrale vegetazione• La vegetazione ha comportamenti specifici a varie lunghezze d’onda producendo firme spettrali caratteristiche. La sua curva di riflettanza varia a seconda del tipo di vegetazione, della sua densità, stadio fenologico, contenuto di umidità, stato fitosanitario, ecc.• Il suo andamento è molto caratteristico nel campo del VISIBILE, INFRAROSSO VICINO (NIR) E INFRAROSSO MEDIO-LONTANO• I pigmenti fogliari contengono clorofilla che ha un max di riflessione nel VERDE mentre max di assorbimento nel ROSSO e BLU• La struttura fogliare è responsabile del comportamento spettrale nelle bande del NIR (importante per distinguere vegetazione)• Nel campo dell’INFRAROSSO MEDIO-LONTANO è il contenuto in acqua nelle cellule delle foglie il maggior responsabile (importante per valutare stress idrici)
  59. 59. Telerilevamento Comportamento spettrale vegetazioneIl comportamento spettrale delle diverse specie vegetalidifferisce in funzione della struttura sia delle piante siadelle foglie. Pertanto dall’analisi dei comportamentispettrali è possibile definire delle relazioni quantitative fradati telerilevati e fenologia e calcolare la Biomassatramite specifici algoritmi (Indici di Vegetazione VI) che sibasano su rapporto fra le firme spettrali tipiche diassorbimento e riflessione della vegetazione inosservata.Gli indici di vegetazione hanno un alta correlazione fra laproduttività delle colture come densità e copertura,biomassa fotosinteticamente attiva, indice di clorofilla,Indice di Area Fogliare (LAI)
  60. 60. Telerilevamento Indici di VegetazioneGli indici di vegetazione trovano concreto utilizzo in:• Studio e stima della biomassa vegetale• Studio del degrado del patrimonio forestale a causa di incendi e disboscamento• Studio infestazioni, patologie e stress idrici alle colture agricole e forestali• Valutazione e controllo degli stadi fenologici della vegetazione per la messa a punto di modelli agrometerologici
  61. 61. Telerilevamento Indici di Vegetazione• NDVI = Normalized Difference Vegetation Index NIR − RED NDVI = NIR + RED• Mette in relazione l’assorbimento spettrale della clorofilla nella banda del rosso (RED) con il fenomeno di riflessione nel vicino infrarosso (NIR) laddove è fortemente influenzata dal tipo di struttura fogliare• si basa sulla combinazione di bande spettrali del rosso-RED e dell’infrarosso vicino- NIR• Questo indice normalizzato (varia tra -1 e +1) alla biomassa vegetale fotosinteticamente attiva
  62. 62. Telerilevamento Altri Indici di VegetazioneTSAVI = Transformed Soil Adjusted Vegetation IndexSAVI = Soil Adjusted Vegetation IndexEntrambi sono indici di vegetazione con formulamolto complessa per eliminare il più possibilel’influenza di riflessione del suolo nudo sulla rispostaspettrale della vegetazioneGEMI = Global Environmental Monitoring VegetationIndexIndice che tende a minimizzare il più possibileinterferenze (backscattering) dovute all’atmosfera
  63. 63. Telerilevamento Altre Principali Applicazioni del Telerilevamento (cenni)• Metereologia• Climatologia• Idrologia• Geologia e geomorfologia• Ambiente antropizzato• Rischio e disastri• Ecologia
  64. 64. Telerilevamento Meterologia• studio composizione e comportamento atmosfera sopra regioni più o meno estese per periodi relativamente brevi (max qualche giorno)• Strumenti RADAR sono migliori per questi studi infatti si può quantificare ed esaminare fenomeni atmosferici
  65. 65. Telerilevamento ClimatologiaStudi sull’atmosfera chesuperano i 5 giorni:•Bilancio energetico eradiativo fra terra eatmosfera•Distribuzione vaporeacqueo, nuvole e pioggia•Circolazione aria eflusso dei venti
  66. 66. Telerilevamento IdrologiaStudio della presenza, distribuzione eproprietà fisiche dell’acqua e dellesue interazioni con l’ambiente•Idrometereologia (acqua contenutanell’atmosfera)•Idrologia superficiale (riferitaall’acqua della superficie della terra)•Idrogeologia (se riferita all’acquasotto la superficie terrestre e nellerocce)•Oceanografia (comportamento deglioceani e mare)
  67. 67. Telerilevamento Geologia e Geomorfologia• Conoscendo la risposta spettrale di alcuni tipi di roccia, funzione del tipo e del contenuto di minerali in essa presenti, è possibile valutare le possibilità di sfruttamento di un determinato territorio• Studio della morfologia del paesaggio• Studio sui fenomeni gravitativi (frane e dissesti)
  68. 68. TelerilevamentoAmbiente antropizzato• Individuazione di tutti quei fenomeni di aumento del consumo di suolo• Discariche e cave• Cartografia di base• Flusso del traffico
  69. 69. Telerilevamento Rischio e disastri• Analisi di tutti quei fattori che possono avere come conseguenza rischi e/o disastri (pioggia, suolo, ecc.)• Individuazione della dimensione del disastro• Monitoraggio di zone a rischio e prevenzione• Formulazione piani di intervento
  70. 70. Telerilevamento Ecologia, conservazione e gestione delle risorse• Mappatura delle associazioni vegetali e nella stima di popolazioni di grandi animali• Biomassa (applicazione di indici di vegetazione)• Stati fitosanitari e di stress idrico• Desertificazione• Deforestazioni• Ecc.

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