2
Al termine dello studio sono state valutate le classificazioni frutto sia dei diversi algoritmi
utilizzati in “ENVI” sia dei due approcci pixel-based e object-based. Analizzando i risultati e
valutandone l’accuratezza nei vari casi, è stato possibile avanzare proposte di procedure di
analisi; tali procedure utilizzeranno i metodi che sono stati scelti tra gli altri in quanto hanno
dato un risultato migliore tra quelli valutati.
In questo modo i risultati di questa tesi sono stati utilizzati per concretizzare delle soluzioni che
ci auguriamo possano risultare utili per gli operatori del settore.
3
1 CENNI DI TELERILEVAMENTO
1.1 Introduzione
In termini generali il telerilevamento è definibile come quell’insieme di tecniche, strumenti e
mezzi interpretativi che permettono di estendere e migliorare le capacità percettive dell’occhio,
fornendo all’osservatore informazioni qualitative e quantitative su oggetti posti a distanza, e
quindi sull’ambiente circostante (Lechi G.,1992).
Benché esistano attualmente talune limitazioni all’uso del telerilevamento ai fini territoriali ed
ambientali, tale tecnica non rappresenta semplicemente un contributo aggiuntivo a metodologie
di indagine di campo già esaustive, ma si inserisce nello scenario della pianificazione territoriale
e nella gestione delle risorse agricole come uno strumento che permette lo studio e la
comprensione di fenomeni in altro modo non investigabili e, soprattutto, può rappresentare un
moderno ed efficace strumento di controllo delle dinamiche ambientali. Risulta infatti di
notevole utilità la possibilità di avere una visione sinottica del territorio altrimenti non ottenibile
con le tradizionali tecniche.
Possiamo dunque descrivere il telerilevamento come uno strumento integrato di indagine che si
sviluppa in cinque differenti fasi, tra loro connesse:
9 acquisizione dei dati
9 elaborazione analogica e digitale
9 raccolta degli elementi di campagna
9 interpretazione delle immagini
9 controllo delle chiavi interpretative
Il principio del telerilevamento è la capacità di differenziare il maggior numero possibile di
oggetti o elementi sul territorio (suolo,vegetazione,acqua,urbanizzato..) cercando di descrivere
le caratteristiche spettrali di ciascuno di loro alle diverse lunghezze d’onda a cui sono sensibili i
diversi sensori compatibilmente con la loro risoluzione spaziale.
La raccolta e la distribuzione delle informazioni è resa possibile dallo sviluppo delle tecniche
relative ai sensori, alla trasmissione dei dati a distanza ed alla loro elaborazione. I sensori
consentono la misura a distanza, la quale è basata essenzialmente sul comportamento delle
superfici dei corpi relativamente alle onde elettromagnetiche nel visibile, nell’infrarosso e nelle
microonde; tali misure sono indirizzate al riconoscimento indiretto della struttura degli elementi
territoriali o al rilevamento di alcune caratteristiche fisiche.
4
1.2 Lo spettro elettromagnetico e la firma spettrale
Lo spettro elettromagnetico viene definito come l’insieme continuo delle onde
elettromagnetiche ordinate secondo la loro frequenza, lunghezza o numero d’onda. Il campo
dello spettro delle onde elettromagnetiche può essere suddiviso per comodità operativa in
regioni, a seconda della lunghezza d’onda.
Tabella 1.1: regioni spettrali delle finestre atmosferiche
Finestra
atmosferica
Regione spettrale
(µm)
1 0.3 – 1.3
2 1.5 – 1.8
3 2.0 – 2.6
4 3.0 – 3.6
5 4.2 – 5.0
6 7.0 – 15.0
Le regioni che interessano il telerilevamento sono essenzialmente le seguenti:
Ultravioletto (UV) 0.01 – 0.380 µm (10-380 nm)
Luce visibile (V) 0.38 – 0.75 µm
- 0.38 – 0.52 blu
- 0.52 – 0.60 verde
- 0.63 – 0.75 rosso
Infrarosso vicino (VIR) 0.76 – 3.0 µm
Infrarosso medio (MIR) 3.0 – 6.0 µm
Infrarosso lontano o termico (TIR) 6.0 – 20.0 µm
Microonde (MW) 0.1 – 100 cm
L’energia elettromagnetica emessa dal Sole, fonte principale di energia del Telerilevamento
delle risorse terrestri, viene riflessa dalla superficie terrestre nel visibile e nell’IR vicino, mentre
viene emessa e riflessa nell’infrarosso medio e lontano dalla Terra.
5
L’irradianza solare prima di raggiungere la Terra viene ridotta per due motivi:
9 la distanza Terra – Sole (in media 149.6 x 10
6
km)
9 l’assorbimento atmosferico, che ricopre un ruolo estremamente importante influenzando
notevolmente il rapporto radianza registrata / radianza originale; l’azione di
assorbimento è inoltre molto selettiva variando in funzione della lunghezza d’onda e dei
gas e delle molecole e particelle presenti nell’atmosfera. La trasmissività dell’atmosfera
alla radiazione solare è quindi variabile, restringendo le possibilità di rilevamento dei
segnali solo nelle cosiddette “finestre atmosferiche”, definite in funzione della banda
spettrale, del luogo e dell’ora della ripresa;quelle più usate sono le finestre 1,2,3 e 6
indicate nella tabella 1, in cui gli effetti della riflessione e dell’immissione sono ben
separati.
I sensori per le risorse terrestri non effettuano una “fotografia” della superficie terrestre, ma
misurano l’energia proveniente dalla superficie dei vari corpi presenti al suolo; lo scopo del
Telerilevamento è riuscire a stabilire una corrispondenza tra la quantità e la qualità della energia
riflessa e la natura dei corpi o delle superfici dai quali proviene , a seconda delle varie lunghezze
d’onda: è questo il compito dell’analisi spettrale ed il significato di firma spettrale.
Quando l’energia elettromagnetica emessa dal Sole colpisce la superficie di un corpo opaco
qualsiasi questa viene in parte assorbita e in parte riflessa; la riflessione può essere speculare o
diffusa, a seconda dell’oggetto o dell’angolo di vista. La porzione di energia riflessa nel visibile
contiene informazioni spettrali inerenti anche al colore della superficie riflettente.
La percentuale dell’energia radiante incidente che viene riflessa (riflettanza) è determinata dalla
struttura geometrica delle superfici, dalla natura e dalla composizione dei corpi (influiscono, ad
esempio, il contenuto di acqua di un suolo o vegetazione). Nella pratica è possibile analizzare il
valore della riflettanza di un corpo in relazione alle varie lunghezze d’onda dello spettro
elettromagnetico, mediante lo spettroradiometro, e tracciare una curva riflettanza – lunghezza
d’onda caratteristica di una determinata superficie; tali curve di riflettanza spettrale permettono
di riconoscere ed individuare i tipi, le condizioni e le caratteristiche dei terreni, delle aree
coperte da vegetazione e dei corpi idrici da cui sono state rilevate solo quando sono
caratteristiche e distinguibili dalle altre curve rilevabili in una scena. In questo caso le curve
sono definite firme spettrali.
I fattori che producono variazioni nelle curve di riflettanza spettrale possono essere statici, come
la pendenza e l’esposizione del terreno, o dinamici, come lo stadio fenologico delle colture
6
erbacee, la condizione fitosanitaria e il grado di copertura del terreno, l’umidità superficiale del
suolo, la trasparenza atmosferica e la posizione del Sole.
Gli intervalli spettrali, escluso il dominio delle microonde, che caratterizzano i sensori dei
satelliti sono così definibili per il loro uso:
9 0.50 – 0.75 µm (pancromatico): con il limitato contenuto spettrale, dà un importante
contributo geometrico allo studio delle immagini avendo questo canale risoluzione
geometrica almeno quattro volte migliore rispetto agli equivalenti canali multispettrali.
9 0.38 – 0.52 µm (blu): utilizzata per lo studio della trasparenza dell’acqua a motivo della
sua penetrazione nei corpi idrici.
9 0.52 – 0.60 µm (verde): scelta per misurare il picco di riflessione della vegetazione alla
lunghezza d’onda corrispondente al verde, per la determinazione dello stato di vigore
della vegetazione stessa.
9 0.63 – 0.75 µm (rosso): banda fondamentale per la diversificazione tra le classi di
vegetazione, per effetto dei diversi dei diversi valori di assorbimento della clorofilla tra
le specie e la sensibilità al contenuto di tannini. Sono messi in evidenza i limiti tra le
zone vegetate e i suoli nudi. Il disturbo dell’atmosfera è più basso che nel resto del
visibile.
9 0.76 – 0.90 (infrarosso vicino o fotografico): utilizzata per gli studi sulla biomassa e
sulla quantità d’acqua della vegetazione; in questa regione si registrano i valori massimi
di riflessione della vegetazione. Particolarmente adatta per la delimitazione delle masse
d’acqua e del reticolo idrografico.
9 1.55 – 1.75 µm (infrarosso medio): la riflessione della massa fogliare a queste lunghezze
d’onda è fortemente dipendente dal suo contenuto di umidità; la banda è quindi utile per
rilevare lo stress idrico della vegetazione legato alla turgidità fogliare. Utile anche alla
discriminazione di suoli con diverso contenuto di umidità, alle condizioni di drenaggio e
al contenuto di sostanza organica. Risulta inoltre utile per la distinzione tra nuvole, che
assorbono e appaiono scure, e il manto nevoso, che riflette e appare chiaro.
9 2.08 – 2.35 µm (infrarosso medio): scelta per la sua potenzialità nella differenziazione
dei litotipi, in particolare in zone dove le rocce sono soggette ad alterazioni idrotermali.
9 3.55 – 3.93 µm (infrarosso medio/termico): per studi del vapore d’acqua nel termico,
questo intervallo è ancora molto influenzato dalla riflessione.
9 10.4 – 12.5 µm (infrarosso lontano o termico): utilizzata per il calcolo
dell’evapotraspirazione delle aree vegetate. Idonea allo studio di stress legati ad un
aumento della temperatura della massa fogliare.
7
1.3 Sistemi satellitari
I satelliti per il Telerilevamento vengono impiegati essenzialmente per due scopi: civile e
militare.
Gli usi civili comprendono applicazioni meteorologiche, da cui si ottengono informazioni per le
previsioni del tempo (Meteosat e NOAA), e applicazioni per le risorse terrestri (Landsat, SPOT,
ERS, IRS, ASTER...).
I sistemi satellitari posseggono diversi vantaggi:
9 forniscono una visione sinottica dell’ambiente attraverso l’osservazione di aree su vasta
scala in singole immagini
9 consentono il monitoraggio della stessa zona in modo ripetuto nel tempo
9 risultano economicamente convenienti rispetto ad altri sistemi di telerilevamento
I satelliti possono venir posti in differenti orbite in relazione al tipo di obiettivi preposti dalla
missione; ad esempio per applicazioni di carattere meteorologico vengono utilizzate orbite
definite di tipo geostazionario, ovvero con lo stesso periodo di rotazione della terra. Per le
applicazioni ambientali non di tipo meteorologico vengono utilizzate orbite di tipo polare e
eliosincrone, le quali consentono l’osservazione di ogni scena allo stesso tempo solare locale.
Trenta anni fa venne lanciato il primo satellite per lo studio delle risorse naturali, chiamato
ERTS (Earth Resources Technology Satellite), precursore della serie LANDSAT (Land
Satellite).
Negli anni ’70 e inizi degli anni ’80 vennero studiate le scene dei satelliti LANDSAT 1, 2 e 3;
successivamente tra la metà degli anni ’80 e ’90 vennero acquisite immagini di una nuova
generazione di sensori, tra cui LANDSAT 4 e 5 e SPOT (satellite francese “Satellite Probatoire
pour l’Observation Terrestre”), con una risoluzione geometrica molto più elevata (ordine dei
30, 20 e 10 metri).
L’efficacia del punto di osservazione spaziale viene definitivamente affermata a partire dagli
anni 1994, 1995 con il lancio di una nuova serie di satelliti e sensori: dall’IRS (Indian Remote
Sensing Satellite) al LANDSAT 7ETM, agli ultimissimi IKONOS ed EROS, fino agli ambiziosi
programmi spaziali TERRA americano (con il satellite ASTER), “ENVI”SAT europeo ed il
satellite SAC-C argentino.
8
1.4 Campi di applicazione ambientale
_ ecologia : analisi della biodiversità. La conservazione della biodiversità è considerata ad oggi
un obiettivo fondamentale nella gestione dell’ambiente. I fattori principali che limitano la
possibilità di un monitoraggio della biodiversità vegetale attraverso il telerilevamento sono
relativi alla necessità di una elevata risoluzione spaziale e spettrale; associazioni
vegetazionali, ecosistemi ed ecomosaici sono monitorabili a minori risoluzioni spaziali di
quelle richieste per l’identificazione di specie. A più alti livelli di organizzazione
dell’ambiente cresce quindi di importanza il ruolo dei sensori satellitari.
_ monitoraggio cambiamenti globali : grazie al telerilevamento satellitare è possibile
investigare le relazioni tra il comparto atmosferico, terrestre e marino per meglio
comprendere i processi ambientali su scale globale.Tra gli obiettivi fondamentali di questo
nuovo ramo di investigazione ricordiamo:
9 stimare i tassi di deforestazione globale ed analizzarne gli effetti
9 quantificare globalmente la biomassa bruciata e gli effetti nei cicli biogeochimici
9 comprendere i meccanismi del riscaldamento globale e della desertificazione
9 investigare i cicli fenologici della vegetazione
9 analizzare le variazioni di land cover della superficie terrestre
quantificare le variazioni temporali di produzione primaria degli oceani ed il ruolo del
cambiamento climatico
_ rischio ambientale : valutazione del rischio di frana; valutazione del rischio di inondazioni;
versamenti di idrocarburi
_ uso del suolo e pianificazione : il telerilevamento fornisce gli strumenti fondamentali per la
mappatura dell’uso del suolo su piccola e media scala; attraverso l’utilizzo di serie storiche è
inoltre possibile analizzare i pattern evolutivi del territorio ed analizzare i cambiamenti in
relazione alle politiche adottate.
La rapida evoluzione di strumenti a crescente risoluzione spettrale e spaziale consente oggi di
conoscere sempre meglio il funzionamento dei cicli biogeochimici e le alterazioni provocate
dalle attività umane.
9
2 DESCRIZIONE DEL MATERIALE UTILIZZATO
2.1 Il satellite ASTER
Il termine ASTER rappresenta l’acronimo delle parole inglesi Advanced Thermal Emission and
Reflection Radiometer; è un satellite multispettrale lanciato dalla NASA, insieme ad altri 5
strumenti, a bordo della piattaforma spaziale Terra nel Dicembre del 1999. Terra è il primo di
una serie di veicoli spaziali con diverse strumentazioni necessarie per il sistema di osservazione
della terra (EOS, Earth Observing System).
Con le sue 14 bande ASTER copre un’ ampia regione spettrale che spazia dal visibile all’
infrarosso termico con anche un’ elevata risoluzione spaziale, spettrale e radiometrica.
Il sensore ASTER possiede tre diversi sottosistemi con differente risoluzione spaziale a seconda
delle lunghezze d’onda del sensore: distinguiamo 3 bande nel visibile e nell’ infrarosso vicino
(VNIR) con una risoluzione spaziale di 15 m ed una banda supplementare per la visione
stereoscopica; 6 bande con risoluzione 30 m nell’ infrarosso fotografico (SWIR); 5 bande con
risoluzione 90 m nell’ infrarosso termico (TIR).
La sua ampia copertura spettrale e l’alta risoluzione spaziale permettono al sensore di
distinguere tra una grande varietà di materiali superficiali e lo portano quindi ad avere una
grande efficienza in studi di tipo geologico. La grande varietà di dati fornita da ASTER
(riflettanza ed emissione spettrale, radianza superficiale, temperatura, modelli digitali di
elevazione..) permetteranno una notevole possibilità di applicazioni in differenti aree, come
geologia e geopedologia, dinamiche di ecosistema, monitoraggio dei pericoli
(vulcani,alluvioni,frane,,erosioni..), cambiamenti superficiali del terreno, idrologia.
Ogni immagine del satellite copre un’ area di 60 x 60 km.
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Tabella 2.1: bande del satellite ASTER
sottosistema
Numero di
banda
Intervallo
spettrale
µm
Risoluzione
spaziale
m
Numero di bit
1 0.52-0.60
2 0.63-0.69
3N 0.78-0.86
VNIR
3B 0.78-0.86
15 8
4 1.60-1.70
5 2.145-2.185
6 2.185-2.225
7 2.235-2.285
8 2.295-2.365
SWIR
9 2.360-2.430
30 8
10 8.125-8.475
11 8.475-8.825
12 8.925-9.275
13 10.25-10.95
TIR
14 10.95-11.65
90 12
ASTER può acquisire dati dell’ intero globo terrestre producendo 650 immagini al giorno che
vengono processate al livello 1A, di queste circa 150 vengono processate al livello 1B. Tutte le
immagini 1A e 1B vengono trasferite dall’ archivio EOSDIS al centro dati EROS (EDC) che si
preoccupa dell’ immagazzinamento, della distribuzione e delle processazioni ai livelli più alti.
11
2.2 Immagini prodotte dal satellite
I dati raccolti da sensori montati sulle varie piattaforme necessitano, prima di essere utilizzati
per l’interpretazione, di una fase detta di pre-elaborazione poiché in essa si cerca di ovviare agli
errori, al rumore e alle distorsioni introdotte durante l’acquisizione e la trasmissione, al fine di
ottenere una rappresentazione il più possibile fedele alla scena. Gli errori che rivestono
particolare importanza sono quelli radiometrici e geometrici:
9 Le correzioni geometriche servono ad eliminare le deformazioni introdotte dal sistema di
ripresa e sono indispensabili per la messa a registro di più immagini e loro mosaicatura;
la posizione di ogni pixel osservato può essere individuata geograficamente.
Gli errori geometrici più importanti che non consentono l’esatta individuazione di tale posizione
sono causati da:
- curvatura e rotazione della Terra e simultaneo spostamento della traccia a terra del
satellite durante un ciclo di osservazione rispetto al meridiano;
- variazioni di assetto e di altezza del satellite che provoca un effetto di modificazione di
scala durante l’acquisizione dell’immagine;
- rifrazione atmosferica.
Questi errori vengono compensati dalla stazione ricevente per mezzo di opportuni programmi di
correzione computerizzati,ma malgrado ciò restano errori residui che devono essere eliminati o
ridotti dall’utente.
9 Le correzioni radiometriche servono per eliminare l’errore introdotto dal cattivo
funzionamento dei sensori e l’influenza dello strato di atmosfera interposto tra il sensore
e la scena investigata.
A causa degli errori radiometrici, i digital number (DN) relativi ad un pixel generico non
rappresentano sempre correttamente i livelli di radianza relativi alle varie lunghezza d’onda.
Le strumentazioni del satellite forniscono due tipi di immagini al livello 1: Level -1A(L1A) e
Level -1B (L1B). I dati del livello 1A sono formalmente definite come ricostruite,ma non
vengono elaborate con i coefficienti radiometrici, geometrici e altri ausiliari associati ai dati
delle immagini, che mantengono i valori originari forniti dal satellite (i diversi coefficienti
vengono forniti all’acquirente,ma non applicati alle immagini stesse).
12
I dati del livello 1B provengono invece da una elaborazione eseguita applicando diversi
coefficienti per le correzioni radiometriche e geometriche; queste immagini sono dunque ruotate
(“path oriented”) e, in particolare per le bande dell’infrarosso fotografico, viene corretto l’errore
di parallasse dovuto alla posizione spaziale di tutte le sue bande.
13
2.3 Immagine utilizzata per lo svolgimento della tesi
L’ immagine utilizzata nello svolgimento di questo lavoro di tesi è stata reperita al livello 1B e
risale alla data 10 Marzo 2002.
Tale immagine ha subito poi una serie di elaborazioni che verranno dettagliatamente descritte
nei successivi capitoli, ma che vengono ricordate:
9 taglio (resize): grazie ad apposite applicazioni l’immagine è stata ridotta permettendo
l’elaborazione delle due porzioni di immagine che sono state ritenute significative
dell’area coperta dall’immagine satellitare.
Sono state infatti distinte le zone 1 e 2, che comprendono parte dei comuni di Legnaro e
Ponte San Nicolò per la prima zona, Grantorto, Fontaniva e Carmignano sul Brenta per
la seconda zona.
9 georeferenziazione: effettuata mediante il riferimento delle carte tecniche regionali
(CTR) 1:5000 e con l’elaboratore di immagini “ENVI” 3.1.
9 classificazione:
o elaborazione dell’immagine con sviluppo delle diverse carte di uso del suolo
derivate da differenti algoritmi di classificazione del programma “ENVI” 3.1:
Parallelepiped, Minimum distance, Mahalanobis distance, Maximum likelihood,
Spectral angle mapper; utilizzo delle bande derivate dall’analisi delle
componenti principali (PCA).
o classificazione object-oriented effettuata con il software “eCognition”
Professional Trial Version 4.0.
9 confronto delle carte ottenute: comparazione delle differenti classificazioni ottenute
utilizzando i diversi software e i dati forniti da CORINE Land Cover.
14
Figura 2.1: Immagine ASTER del 10 Marzo 2002 dell'area alla sinistra orografica del
fiume Brenta
15
3 CLASSIFICAZIONE CORINE
Le informazioni relative a CORINE (storia e obiettivi) sono state raccolte da CORINE Land
cover Technical guide prodotto dalla European Commission, Directoral – General
“ENVI”roment, Nuclear Safety and Civil Protection pubblicato nel 1994.
CORINE ( Coordination of information on the “ENVI”ronment) è una banca dati a scala
europea che raccoglie e coordina i dati riguardanti l’ambiente.
CORINE è stata istituita dalla commissione dei ministri dell’ambiente Europei il 27 giugno
1985 con il titolo di “Progetto sperimentale per la raccolta, la coordinazione e la garanzia della
consistenza delle informazioni in campo ambientale e delle risorse naturali della Comunità”; gli
obiettivi di tale programma erano:
1. stabilire le condizioni attuali dell’ambiente all’interno del territorio Europeo;
2. riportare su supporto cartaceo la distribuzione geografica delle aree naturali e descrivere
il loro stato di salute; stabilire inoltre la vulnerabilità del territorio comunitario;
3. determinare la distribuzione geografica e l’abbondanza della flora e della fauna;
4. quantificare la qualità e la quantità delle risorse idriche presenti nel territorio;
5. stabilire la struttura della copertura del suolo e le sue condizioni;
6. valutare la quantità di sostanze tossiche emesse nel territorio, la loro origine e
l’eventuale smaltimento;
7. stabilire un elenco delle zone naturali a rischio da tutelare.
Il programma si presentava, quindi, soprattutto compilativo, mentre oggi si propone obiettivi più
ambiziosi orientando CORINE verso una tutela ambientale a tutti i livelli territoriali (UE,stati,
regioni..) e con particolare attenzione all’evolvere nel tempo delle differenti situazioni
ambientali.
L’individuazione della copertura del suolo, ovvero la stesura di una mappa dell’uso del suolo
dei paesi membri assume in quest’ottica un ruolo fondamentale; tali progetti risulta
indispensabili per diversi motivi:
9 il lavoro preliminare alla realizzazione di CORINE è stato orientato principalmente alla
raccolta dei dati della copertura del suolo, alla localizzazione dei rilievi montuosi e
all’individuazione delle vie di drenaggio.
9 Le informazioni sulla copertura del suolo sono frammentarie,eterogenee e fornite in
formati diversi dai paesi dell’ UE. Si pone, dunque il problema di gestione su ampia
scala di questi dati. CORINE si prefigge di coordinare e omogeneizzare le informazioni
sull’uso del suolo degli stati membri.
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