Generazione di un DTM da immagini telerilevate per l'applicazione di modelli idrologici afflussi-deflussi e definizione di aree perifluvialli a rischio di inondazione

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dati è subordinata all'uso di modelli di simulazione calibrati attraverso le informazioni 
provenienti da sensori puntuali opportunamente localizzati o da altri sensori areali già 
in precedenza calibrati. L'integrazione sistematica delle diverse informazioni, puntuali 
ed areali, relativa alla medesima porzione di territorio rappresenta, dunque, la 
soluzione ottimale per il conseguimento dell'obiettivo prefissato in partenza. Tenuto 
conto inoltre che da un punto di vista economico, nel caso di sensori areali i costi, 
generalmente elevati, rimangono fissi, per quelli puntuali, all'aumentare del numero 
dei sensori installati i costi crescono sproporzionatamente. Quindi in generale, da un 
punto di vista operativo, bisognerà ottimizzare la progettazione di una rete di 
telecontrollo al fine di garantire, tenuto conto dei costi, il più alto grado di precisione 
nell'informazione acquisita. 
Come accennato in precedenza, in questa tesi viene data particolare importanza al 
telerilevamento da satellite per l'acquisizione di tutti i dati necessari alla delimitazione 
di quelle zone a rischio di inondazione nel bacino del Basento. 
Verranno quindi, prima illustrati i dati tecnici dei satelliti per il telerilevamento, ora 
disponibili, ed in particolare le metodologie per l’elaborazione delle immagini 
telerilevate utilizzate, e quindi per l’applicazione di modelli idrologici ed idraulici 
necessari alla valutazione delle aree inondabili. A tal fine vengono seguite le fasi 
fondamentali: 
‰ Costruzione di un Modello Digitale del Terreno (D.T.M.) per la valutazione dei 
parametri morfologici necessari ai modelli idrologici 
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‰ Applicazione  del modello idrologico 
‰ Simulazione analitica di una eventuale onda di piena con il supporto di modelli 
idraulici 
‰ Interfacciamento dei dati di output della simulazione analitica con software G.I.S. 
(Geographical Information System) per l'individuazione delle aree inondate 
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1. TELERILEVAMENTO DA SATELLITE 
1.1 CARATTERISTICHE DEI SENSORI 
L'insieme di tutte quelle tecniche utilizzate per l'acquisizione a distanza di dati 
ottenibili da emissioni o riflessioni elettromagnetiche di qualsiasi oggetto che si trova 
sulla superficie terrestre, prendono il nome di telerilevamento. Gli attributi che 
possono essere percepiti a distanza attraverso radiazioni elettromagnetiche sono: 
‰ la distribuzione spaziale (forma e struttura); 
‰ la distribuzione spettrale (colore) 
‰ la polarizzazione (interazione tra campo elettrico e campo magnetico) e variazioni 
temporali. 
La risoluzione spaziale, intesa come la capacità, maggiore o minore, di rappresentare 
in modo dettagliato oggetti al suolo, rappresenta uno dei parametri più importanti 
dell'acquisizione di immagini da satellite. Questa, oltre a dipendere dal tipo di sensore 
impiegato (risoluzione radiometrica), risente fortemente dall'assorbimento atmosferico, 
maggiormente esasperato dalla presenza di nuvole e, nel caso in cui il sensore operi 
nel campo del visibile, dall'esposizione (condizioni di illuminazione) della porzione di 
territorio osservato. 
Le diverse proprietà degli oggetti osservati richiedono, al fine di ottenere informazioni 
il più possibile dettagliate, sensori che operino in particolari intervalli (bande) dello 
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spettro elettromagnetico. Si tratta, cioè, a seconda delle situazioni da osservare, di 
operare delle analisi spettrali in differenti aree dello spettro elettromagnetico. Così, ad 
esempio, nella regione tra 0,32 e 4,0 micron (che include lo spettro visivo) si osserva 
primariamente la riflettività spettrale delle radiazioni solari dirette e diffuse. Le 
radiazioni spettrali si generano dall'assorbimento selettivo (da parte di clorofilla, 
pigmenti, acqua allo stato liquido ecc.) e dalla diffusione. Nella regione compresa tra 
4,5 e 15 micron si osserva una emissione termica avente origine sulla parte esterna (a 
contatto con l'atmosfera) di solidi e liquidi. Nella regione delle microonde, da 1 a 300 
mm, si osservano pure emissioni termiche, queste però, sono influenzate da variazioni 
sostanziali di emissività di superfici naturali, in particolare dalla scabrezza delle 
superfici colpite e dal loro contenuto di umidità (vapore d’acqua), dal suolo e dalla 
vegetazione (fig.1.1).  
Dall’analisi della tipologia delle lunghezze d’onda utilizzate per il telerilevamento, i 
sensori possono essere classificati secondo due gruppi: 
‰ ottico  (0,3 – 20 micron)  
‰ microonde (1 – 300 micron) 
 10
Il primo gruppo si basa essenzialmente sulla stima delle onde elettromagnetiche 
emesse o riflesse nelle bande del visibile e dell’infrarosso. Questi sensori, se da un lato 
consentono un’ottima risoluzione geometrica e radiometrica, dall’altro non permettono 
l’acquisizione di informazioni in presenza di nubi o di precipitazioni, ovvero in 
assenza di illuminazione della scena osservata. 
Le microonde a differenza delle onde ottiche, non sono influenzate dalle condizioni 
meteorologiche. Questo implica la possibilità di acquisire informazioni anche in 
presenza di nubi ovvero di pioggia. Le microonde, inoltre, pur presentando una minore 
risoluzione spaziale rispetto ai sistemi ottici, hanno una maggiore capacità di 
10 1 10
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fig. 1.1 
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penetrazione nei mezzi cui si propagano, permettendo così, per la porzione di territorio 
osservato, di indagare anche le caratteristiche al di sotto della superficie. 
Per sfruttare sistematicamente le proprietà energetiche descritte in precedenza, e' 
possibile studiare in laboratorio le radiazioni elettromagnetiche emanate nelle diverse 
bande spettrali dagli oggetti in esame, in particolari condizioni naturali. 
Si determina così la curva di riflettanza, rapportata alla lunghezza d'onda 
dell'emissione elettromagnetica, la quale definisce l’impronta spettrale (sigla) 
dell'oggetto naturale preso in esame.  
Si intuisce chiaramente come in relazione alle diverse "impronte" corrispondenti a 
differenti oggetti o a diverse condizioni fisiche di uno stesso oggetto, sia possibile 
operare la diversificazione tra le informazioni rilevate dai sensori a distanza. Va inoltre 
evidenziato, come l’analisi accurata sulle impronte spettrali indichi il numero minimo 
di sensori, e le corrispondenti bande spettrali, necessarie per effettuare la 
differenziazione di particolari oggetti situati sulla superficie terrestre. In tal senso, per 
ogni campo di applicazione (meteorologia, cartografia, topografia, uso del suolo ecc.), 
esistono alcune bande spettrali preferite per la scansione a distanza. Questo imp1ica 
che, a seconda del campo di applicazioni interessato, si possono avere diversi tipi di 
sensori quali: 
Sistemi ottico-meccanici a scansione (passivi) che misurano le radiazioni 
elettromagnetiche (nella direzione di arrivo) per mezzo della rotazione di componenti 
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ottici. L’immagine che si ricava è ottenuta dalla combinazione tra la scansione dello 
specchio nella direzione trasversale al moto del satellite ed il moto del satellite stesso. 
Sistemi ottico-elettronici a scansione (passivi) che si basano sullo stesso principio di 
quelli meccanici con la differenza che lo specchio di scansione è sostituito da un’array 
di rilevatori CCD (Charge Coupled Device) che provvede elettronicamente 
all’acquisizione delle informazioni nella direzione trasversale al moto del satellite. 
Macchine fotografiche multispettrali (passivi) che con l’ausilio di pellicole sensibili a 
particolari lunghezze d’onda, acquisiscono informazioni relativamente alla porzione di 
spettro corrispondente;  
Telecamere (passivi) che percepiscono a distanza la radiazione e la trasformano in 
segnali elettrici da trasmettere in località esterne alla piattaforma; 
Spettrometri ottici ad immagine (passivi) che acquisiscono informazioni, per una 
stessa porzione di territorio, su un numero elevato di bande contigue differenti (100-
200). Un sensore del genere permette, in corrispondenza di ogni pixel, di ottenere una 
impronta spettrale continua, ciò implica un sostanziale miglioramento sia per l’esatta 
classificazione degli oggetti collimati dal sensore, che una interpretazione più chiara 
dei dati acquisiti;  
LIDAR (Light Detection and Ranging) che, essendo un sensore attivo, sfrutta, per 
l’acquisizione delle informazioni, la radiazione di ritorno di un raggio laser, emesso 
dallo stesso in precedenza per illuminare la zona da osservare. 
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SAR (Sinthetic Aperture Radar) che è costituito da un particolare sensore attivo a 
microonde che fornisce autonomamente la sorgente di illuminazione della scena. Un 
sistema del genere, dunque, non risente né delle maggiori o minori condizioni di 
illuminazione solare, né della presenza delle nuvole. Il SAR, indipendentemente dalla 
sua distanza  rispetto alla porzione di territorio da osservare, presenta un’ottima 
risoluzione spaziale. Ciò è attribuibile alla tecnologia con cui il sensore in esame 
acquisisce le informazioni. Esso, infatti, sfruttando la risposta Doppler ottenuta 
dall’analisi di una stessa porzione di territorio, in relazione alle diverse scansioni 
tempo-azimutali derivanti dal moto stesso del sensore permette un’ottima 
rappresentazione degli oggetti al suolo (fig.1.2). Quanto detto, però, necessita di 
modelli sofisticati di analisi che comportano elaborazioni numeriche complesse e 
costose. 
(2)
(1)
(3)
fig. 1.2: Analisi della risposta Doppler sui diversi segnali di    
ritorno (1-2-3) per una stessa parcella territoriale 
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Quando l’angolo sotteso dal piano orbitale con quello equatoriale è di circa 90°, 
l’orbita è detta eliosincrona. In questo caso la precessione dell’orbita del satellite 
(orbita con inclinazione costante in ogni periodo dell’anno e distanza dalla superficie 
terrestre compresa tra 200-1000 Km), compensa l’effetto della rotazione terrestre 
intorno al sole. 
Quanto detto si traduce, in modo semplicistico, nel constatare come un satellite con 
orbita eliosincrona “sorvoli” ogni parcella di superficie terrestre alla stessa ora solare 
(al fine di garantire, in condizioni di cielo completamente sereno, lo stesso grado di 
illuminazione naturale della scena). Ciò consente di osservare una stessa porzione di 
territorio ad intervalli regolari e sotto una stessa angolazione (fattori importantissimi 
per la calibrazione delle correzioni geometriche da apportare alle immagini acquisite). 
Si è detto che il telerilevamento da satellite consente un continuo aggiornamento dei 
dati, e che la frequenza con cui riesce ad avere l’immagine della stessa porzione di 
territorio, sia una caratteristica di notevole rilevanza. Si pensi appunto all’osservazione 
di fenomeni di piena negli alvei fluviali che evolvono in brevissimo tempo. La 
ripetitività di un’osservazione non è solo funzione del tempo impiegato dal satellite a 
percorrere un’orbita, ma anche della possibilità di acquisire immagini fuori Nadir. Con 
quest’ultimo termine si intende la possibilità di variare, in modo appropriato, lo 
specchio del sensore (con capacità di puntamento angolare), allo scopo di aumentare la 
fascia di scansione centrata sulla fascia al suolo del satellite. Un’operazione del genere 
permette notevoli sovrapposizioni tra immagini relative ad orbite adiacenti, 
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consentendo così di acquisire più informazioni in corrispondenza di una stessa 
porzione di territorio. Ad esempio il satellite francese SPOT ogni 26 giorni fornisce 
una nuova immagine della stessa porzione di territorio, e con osservazioni fuori Nadir 
riesce ad osservare una stessa area fino a 5 giorni consecutivi. 
Le operazioni di acquisizione fuori Nadir, se da un lato permettono una ripetitività 
maggiore delle acquisizioni spettrali, dall’altro creano notevoli problemi relativamente 
alla identificazione di oggetti collimati secondo diverse angolazioni di puntamento. Va 
inoltre detto come un guadagno in frequenza temporale, nell’acquisizione di una 
immagine su una stessa superficie, vada a discapito della risoluzione spaziale 
dell’immagine stessa. Alla luce di quanto finora detto, un’immagine, direttamente 
acquisita dal satellite, non può essere direttamente utilizzata in quanto è gravata da 
errori sui valori radiometrici registrati; d’altro canto le imprecisioni geometriche ne 
limitano il suo uso per confronti con cartografia esistente. Detti errori possono essere 
eliminati per il tramite di un pretrattamento dell’immagine rilevata, sia da un punto di 
vista radiometrico che geometrico. Nel primo caso, qualora non siano disponibili 
diverse immagini multispettrali di una stessa area in esame, si ricorre a tecniche 
statistiche di calibrazione atte a far corrispondere, a parità di radiazione rilevata dal 
sensore sopra porzioni territoriali differenti, uguali valori numerici ovvero uguali 
sfumature di grigio. 
Nel caso della correzione geometrica è possibile ricorrere a due approcci distinti: uno 
sintetico e l’altro analitico. Quello sintetico consiste nel quantificare, attraverso un 
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certo numero di punti di controllo, le distorsioni presenti tra l’immagine telerilevata e 
la cartografia corrispondente. Le distorsioni verranno successivamente interpretate per 
mezzo di funzioni polinomiali allo scopo di eliminarle dall’immagine di partenza. Il 
secondo approccio, analitico, risulta notevolmente complesso, e pertanto, richiede 
sofisticate strumentazioni di calcolo. In sintesi si tratta di schematizzare con l’uso di 
modelli l’evoluzione spaziale e temporale della piattaforma e quindi del sensore, la 
morfologia della zona collimata nonché tutte le trasformazioni topografiche delle 
coordinate, incluse quelle dovute alla variazione di angolazione del sensore per 
rilevamenti eseguiti fuori Nadir. Valutati, istante per istante, tutti i parametri che 
entrano in gioco nel processo del rilevamento, è possibile trasformare la generica 
informazione acquisita dal sensore nel corrispondente valore geodetico di riferimento a 
terra. 
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1.2 APPLICAZIONE DEL TELERILEVAMENTO ALLE RISORSE 
IDRICHE 
Oltre agli usi cartografici, per l’ottenimento di informazioni tematiche, i satelliti 
possono essere impiegati come strumenti di monitoraggio delle dinamiche territoriali. 
Ciò allo scopo di rilevare, in tempo utile, quelle situazioni di allarme che 
costantemente si verificano sulla superficie terrestre. Senza tralasciare la possibilità di 
utilizzare gli stessi dati come input di modelli di previsione a breve e medio termine. 
1.2.1 Principali sistemi satellitari operativi 
Per poter affrontare uno studio di pianificazione del territorio, in cui é possibile 
acquisire informazioni utilizzando sistemi di ripresa satellitare, bisogna spesso 
ricorrere all'uso di immagini provenienti da più sensori, ciascuno inerente ad un 
particolare aspetto del problema. 
I due principali sistemi satellitari operativi, che hanno contribuito in modo notevole 
allo studio ed al monitoraggio della superficie terrestre sono il LANDSAT e lo SPOT. 
Il LANDSAT, nato con il primo lancio nel 1972 a cui é seguita una serie di altri 
quattro satelliti, fu progettato come strumento di ricerca, studio e sviluppo delle risorse 
terrestri. Solo l'ultimo satellite della serie, che ha un tempo di rivisitazione nadirale di 
16 giorni, é operativo ed, in particolare, solo il sensore multispettrale Thematic 
Mapper (TM), composto da sette canali, di cui tre nel visibile e quattro nell'infrarosso, 
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tutti con risoluzione al suolo di 30 m ad eccezione di quello nell'infrarosso termico con 
120 m. L'altro sensore, il Multi Spectral Scanner (MSS) é stato temporaneamente 
spento, con la possibilità di riaccenderlo solo per casi eccezionali. La più vasta 
bibliografia sullo studio da satellite delle risorse terrestri é stata prodotta in relazione 
alle applicazioni di questo sistema di acquisizione dati. I campi di applicazione sono 
molteplici e diversificati in relazione alla combinazione delle caratteristiche tecniche 
(risoluzione spettrale, spaziale, temporale) dello strumento. Peculiarità di questo 
sistema é l'acquisizione di un elevato numero di informazioni terrestri. Infatti, i diversi 
canali spettrali, di cui é dotato lo strumento, sono principalmente indicati per : 
‰ lo studio delle zone costiere per la capacità di penetrazione nei corpi idrici (blu, 
verde); 
‰ la determinazione dello stato di vigore della vegetazione (verde); 
‰ la diversificazione tra le classi di vegetazione (rosso); 
‰ gli studi di biomassa e la distribuzione del reticolo idrografico (infrarosso vicino); 
‰ la determinazione del contenuto d'umidità dei raccolti e per la differenziazione tra 
nuvole e neve (infrarosso medio); 
‰ il rilevamento dello stress della vegetazione e per il monitoraggio dell'energia 
emessa (infrarosso termico); 
‰ la capacità di differenziazione (infrarosso medio). 
Lo SPOT, in orbita dal 1986 e già operante con il terzo satellite, é stato progettato per 
lo studio dell'uso del suolo, per il monitoraggio delle risorse rinnovabili e come 
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supporto per la produzione cartografica topografica a media scala e per quella 
tematica. I due sensori montati sulla piattaforma satellitare, High Resolution Visible 
(HRV), operano nel pancromatico e nel multispettrale (VIS e NIR), con risoluzione al 
suolo rispettivamente di 10 e 20 m. In aggiunta all'alta risoluzione, la peculiarità di 
questo sistema di acquisizione dati, che ha un tempo di rivisitazione nadirale di 26 
giorni, é quella di poter effettuare riprese oblique (off-nadir) fino a +/-27° rispetto alla 
verticale. Questa caratteristica permette sia di effettuare registrazioni stereoscopiche 
che di ridurre il tempo di rivisitazione, anche se con angoli di ripresa diversi, fino ad 
11 riprese della stessa area nei 26 giorni. I campi di applicazione sono anche in questo 
caso molteplici, con la sola differenza che utilizzando le immagini di questo satellite si 
acquisisce l'informazione territoriale caratterizzata da un maggiore dettaglio 
geometrico rispetto a quelle del Landsat TM e da un minore contenuto informativo. 
L'IRS (Indian Remote Sensing Satellite), nelle versioni 1A, lanciato nel 1988 e 1B, 
lanciato nel 1991, presenta delle caratteristiche molto simili al Landsat. I sensori 
multispettrali, LISS-I e LISS-II, hanno i quattro canali (visibile e infrarosso vicino) 
spettrali con range molto simili a quelli del sensore TM. La risoluzione al suolo del 
LISS-II (36 m) é simile a quella del TM, mentre quella del LISS-I (72 m) si avvicina a 
quella del MSS. Anche il tempo di rivisitazione (22 giorni) non si discosta molto da 
quello del Landsat. 
Questi satelliti, i cui dati sono meno diffusi rispetto a quelli precedentemente descritti, 
si vanno a configurare, allo stato attuale, tra i sistemi per il monitoraggio delle risorse