Capitolo 1 Monitoraggio di Aree Urbane mediante Sensore SAR
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elettromagnetico con l ausilio di immagini ottiche scattate sul posto. Siamo
passati alla modellizzazione delle strutture in esame individuando la corretta
associazione tra i contributi osservati sulle immagini SAR e gli elementi che
caratterizzano la scena a terra. Per le varie strisce di riflessioni inattese siamo
passati ad un ulteriore studio approfondito della scena a terra con ulteriori
sopralluoghi e relative foto scattate sul posto. Ipotizzando le cause delle varie
anomalie, siamo giunti a ottimi risultati confermati soprattutto dalla diretta
osservazione dei siti di interesse.
Complessivamente questa tesi si sviluppa in quattro capitoli di cui si riporta
brevemente il contenuto:
Nel primo capitolo abbiamo introdotto il sensore SAR e il suo
funzionamento; inoltre abbiamo evidenziato le peculiarit dell alta risoluzione che
ci ha permesso di evidenziare importanti aspetti delle aree urbane.
Nel secondo capitolo abbiamo presentato gli effetti di distorsione
geometrica delle immagini SAR (layover e shadow) e valutato i contributi di
riflessione multipla; abbiamo presentato il modello geometrico ed
elettromagnetico necessari ad una corretta interpretazione dell immagine SAR.
Abbiamo analizzato, poi, il caso generale del calcolo del campo retrodiffuso da
una superficie qualunque ed infine abbiamo descritto i metodi per l estrazione
dell altezza da layover e da shadow, delle dimensioni in pianta di un edificio dalle
riflessioni doppie.
Nel terzo capitolo si considera l immagine SAR, e sulla base dei modelli
preesistenti, abbiamo evidenziato le differenze fra ci che ci aspettiamo e ci che
in realt Ł presente nell immagine. Si procede quindi ad una interpretazione
dell immagine SAR , individuando, tramite il calcolo delle distanze in range fra i
vari contributi, e il confronto con quelle reali, le cause e gli oggetti che hanno
generato ogni singolo contributo elettromagnetico.
Nel quarto capitolo, una volta individuate le striscie di riflessione doppia e
di riflessione singola, abbiamo estratto le dimensioni lineari di un edificio e
l altezza di un secondo edificio da parametri geometrici: ottenendo degli ottimi
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risultati, siamo riusciti anche a giustificare importanti aspetti radiometrici
evidenziati su entrambe le strutture in analisi.
Capitolo 1
MONITORAGGIO DI AREE URBANE
MEDIANTE SENSORE SAR
1.1 Cenni sul Telerilevamento
Una definizione del termine Telerilevamento pu ess ere effettuata a diversi
livelli. Un modo estremamente semplice ed efficace per spiegare cosa si intende
con il termine Telerilevamento Ł offerto dalla parafrasi di esempio pubblicato nel
Remote Sensing Tutorial della NASA:
Mentre state leggendo queste righe, siete a tutti gli effetti coinvolti in
un operazione di Telerilevamento . La luce Ł rifles sa dalla pagina (radiazioni),
attraversa un certo spazio (definizione di una distanza e quindi dell assenza di
contatto), viene acquisita da un sensore (occhi) che invia un segnale ad un
processore (cervello). Gli organi di senso dell uomo prendono coscienza del
mondo esterno quasi esclusivamente attraverso la ricezione di una grande quantit
di segnali emessi o riflessi, in modo attivo o passivo, da oggetti che trasmettono
informazioni sotto forma di onde o impulsi.
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Riformulata in termini scientifici, in generale, con il termine
Telerilevamento (in italiano), Remote Sensing (in inglese),si intende la disciplina
che permette di ricavare informazioni, qualitative e quantitative, sull’ambiente e su
oggetti posti a distanza mediante misure di radiazione elettromagnetica, emessa,
riflessa o trasmessa, che interagisce con le superfici di interesse. Esso utilizza foto
o dati numerici rilevati da aerei, satelliti o sonde spaziali per caratterizzare ad
esempio la superficie di un pianeta. Ricordiamo che la superficie di un qualsiasi
corpo, se investita da una radiazione elettromagnetica, pu riflettere, assorbire o
lasciarsi attraversare da tale radiazione.
Figura 1.1 Campo retrodiffuso e trasmesso da una superficie S
Nell’immagine in figura 1.1 Ei indica l energia del campo incidente, E r
l energia del campo riflesso, E a indica l energia assorbita e infine E t indica
l energia trasmessa alla superficie S.
In generale lo studio di una superficie effettuato con tecniche di
telerilevamento prevede tre fasi distinte:
• acquisizione dei dati mediante ripresa da terra, aereo, o satellite;
• elaborazione dei dati;
• interpretazione e uso dei dati.
Ei
S
Er
Ea
Et
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La prima fase Ł resa possibile dai sistemi di telerilevamento che possono
essere posti a terra, su aereo o satellite. Sono sistemi di misura indiretta ed
operano per mezzo di una antenna ( l occhio del si stema) posta ad una data
distanza dal fenomeno osservato, ed in moto relativo rispetto ad essa. Tali sensori,
in base al metodo di misura, vengono suddivisi in due categorie: si parla di sensori
passivi o attivi. I primi rilevano radiazioni naturalmente diffuse dalla superficie di
un corpo (radiazioni termiche o riflessioni della luce solare), i secondi, meglio
conosciuti come radar, irradiano potenza elettromagnetica e misurano la frazione
di essa che viene riflessa dal mezzo osservato. Nel nostro caso faremo riferimento
a sensori attivi posti su piattaforme satellitari (il telerilevamento spaziale) che si
trovano ad altezze comprese fra 450 e 900 km in orbite polari (eliosincrone). Le
bande dello spettro elettromagnetico utilizzate sono quelle del visibile,
dell’infrarosso e delle microonde.
Dopo una breve panoramica sui sensori passiamo alla seconda fase: i dati
acquisiti dal sensore vengono inviati a terra in forma numerica ed elaborati nelle
agenzie spaziali (il cervello del sistema). ¨ in queste agenzie spaziali che le
varie informazioni acquisite dal sensore vengono convertite sotto forma di
particolari immagini, nel nostro caso immagini SAR (Synthetic aperture
radar) ,ossia acquisite con Radar ad Apertura Sintetica. . Nel seguito ci
concentreremo sulle tecniche utilizzate dai sensori SAR per acquisire dati.
La terza fase riguarda l interpretazione delle immagini, le quali vengono
analizzate sotto vari profili a seconda delle particolari informazioni che si
desiderano ricavare. In questa tesi Ł presentato un lavoro di interpretazione di un
immagine SAR ad alta risoluzione di un area urbana, in cui ci proponiamo di
trovare delle possibili interpretazioni quantitative ai particolari inattesi osservati
sull immagine SAR ad 1 metro di risoluzione di aree urbane. A tale scopo risulta
quindi fondamentale la raccolta delle verit a ter ra per l interpretazione delle
immagini telerilevate; infatti, soprattutto nell al ta risoluzione, vi sono nuovi
particolari che necessitano di essere spiegati e misurati. Anche perchØ sulla
superficie terrestre sono presenti oggetti di natura diversa (per composizione,
forma, estensione etc.), e quindi il comportamento di ciascuno nella emissione o
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riflessione di energia Ł diverso. Tale discorso verr approfondito nei capitoli
successivi. Per ovvii motivi, il telerilevamento Ł inquadrato a diversi livelli in
varie applicazioni di monitoraggio sullo stato del pianeta: dal clima
all inquinamento, dalla desertificazione alla deforestazione, dallo stato dei ghiacci
polari alla direzione delle correnti marine, dallo sviluppo demografico fino alle
emergenze dovute alle catastrofi naturali. Anche le aree urbane necessitano
oggigiorno di un piø adeguato monitoraggio in grado di controllarne lo stato o la
crescita. Per questo tipo do scenario in particolare nasce l esigenza di sviluppare
sensori in grado di fornire immagini a risoluzione sempre piø elevata. Un notevole
passo avanti in tal senso Ł stato fatto grazie alla tecnologia SAR. A tal proposito,
descriviamo nel prossimo paragrafo il principio di funzionamento del radar ad
apertura sintetica.
1.2 Radar ad apertura sintetica: principio di funzionamento e
risoluzione
Il SAR Ł un sensore attivo a microonde utilizzato per realizzare immagini di una
determinata scena sulla superficie della Terra.
Esso gode di tutte le propriet dei sensori attivi e pu trovarsi a bordo di
piattaforme aeree o spaziali. Mediante la riflettivit della superficie illuminata dal
sensore, il SAR Ł in grado di estrarre informazioni dalla scena di osservazione,
convertirle in formato numerico e inviare tali informazioni a terra ai centri
spaziali. In queste sedi viene creata una particolare fotografia elettromagnetica ,
l immagine SAR accennata nel paragrafo precedente. La peculiarit di questo
sensore Ł la capacit di acquisire informazioni a prescindere dall’ora del giorno e
dalla condizione meteorologica in quanto lavora alle frequenze delle microonde.
Per poter studiare il funzionamento dell’apertura sintetica, Ł opportuno conoscere
la geometria di base del sistema di illuminazione a terra. Infatti l’apertura sintetica
Ł un’evoluzione dell’apertura reale, sistema radar tradizionale, denominato RAR
(Real Aperture Radar), portato a bordo di una piattaforma di volo.
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Figura 1.2 Geometria di un sistema RAR
In Figura 1.2 Ł mostrata la geometria di un sistema radar posto ad una quota
h dal terreno. La direzione di volo del radar (flight line) Ł detta di azimuth, mentre
la direzione ortogonale a quest ultima (cross track) Ł detta di range. Si parla di
slant range riferendosi alla direzione di trasmissione, in linea d aria, del segnale, e
di ground range riferendosi a quella riportata a terra; queste due direzioni sono
chiaramente legate tra di loro tramite il seno dell angolo di vista ϑ. Notiamo che
nella direzione di range l antenna presenta un lobo di radiazione molto ampio,
capace di coprire una fascia (swath) molto larga della superficie terrestre
(tipicamente decine di Km).
In un sistema tradizionale RAR la discriminazione tra i vari punti si ottiene
trasmettendo un impulso a radiofrequenza, la cui durata τ Ł molto breve
(tipicamente centinaia di nanosecondi). In tal modo punti distinti della superficie
terrestre posti a distanze diverse dal radar forniscono echi che arrivano in tempi
diversi all antenna: il ritorno relativo ai punti piø distanti giunge con un ritardo
maggiore rispetto a quello relativo ai punti piø vicini. La variabile tempo nell eco
radar Ł quindi strettamente correlata alla coordinata spaziale di range.
h
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Suolo
Figura 1.3 I punti A e B indicano due oggetti a t erra posti a minima distanza ∆y in
ground range e ∆r in slant range
Per quanto riguarda la risoluzione in slant range (minima distanza in range a
cui devono trovarsi due punti per essere rilevati distintamente dal sensore) Ł
possibile discriminare tra di loro due echi e quindi due oggetti a terra se la
differenza dei loro ritardi Ł maggiore della durata τ degli impulsi stessi; quindi piø
l impulso Ł breve, meglio riusciamo a distinguere punti vicini. Invece la
risoluzione in azimuth dipende dalla dimensione dell impronta a terra del lobo di
irradiazione dell antenna nella direzione di volo: meno esteso sar il fascio nella
direzione di azimuth, migliore sar la risoluzione.
Con i RAR non si possono raggiungere risoluzioni soddisfacenti,
specialmente da satellite, poichØ la risoluzione in azimuth Ł direttamente
proporzionale alla quota ed inversamente proporzionale alla lunghezza
dell antenna; quindi, al crescere della quota di volo del sensore la risoluzione
dell’immagine peggiora (l impronta a terra Ł piø estesa), a meno che le dimensioni
W
h
r
∆y
ϑ
x ●
A B
∆r
ϑ
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dell’apertura non siano aumentate. Per le lunghezze d’onda della luce visibile e dei
raggi infrarossi si possono ottenere immagini ad alta risoluzione alle quote orbitali
anche con dimensioni modeste dell’apertura. Ma per sensori a microonde, come il
RADAR, dove le lunghezze d’onda sono centomila volte maggiori di quelle della
luce, una risoluzione elevata non Ł possibile, se non con antenne aventi aperture
notevoli, dell’ordine di dieci chilometri o piø, condizione impossibile da realizzare
nello spazio. Ne consegue che con questo sistema radar tradizionale ottenere una
elevata risoluzione geometrica, intesa come minima distanza tra due oggetti sulla
scena affinchØ siano rappresentati distintamente sull immagine, risulta
impossibile. Tuttavia la necessit di avere risoluz ioni spaziali sempre piø spinte ha
portato alla nascita dei RADAR ad Apertura Sintetica, con i quali si sono superati
questi limiti imposti dalle grandezze fisiche delle antenne poste sulle piattaforme
spaziali migliorando notevolmente la risoluzione.
Il SAR, come gi detto, presenta uno schema geometr ico del tutto simile a
quello di un RAR, ma presenta una modalit di funzi onamento completamente
differente. Gli impulsi trasmessi sono modulati con una tecnica di tipo chirp. Con
tale tecnica il segnale trasmesso presenta una banda direttamente proporzionale
alla durata dell impulso stesso. Tali impulsi vengono inviati verso la scena da
illuminare e quindi viene registrato, sia in ampiezza, sia in fase, il segnale
retrodiffuso dal bersaglio a terra. Il campo retrodiffuso rappresenta la vera
informazione della scena a terra: il sensore invia poi tale informazione verso le
stazioni terrestri che provvedono ad un opportuna elaborazione, atta a costruire
l immagine SAR finale.
Il funzionamento del SAR Ł basato sul fatto che l antenna radar montata su
satellite o su un aereo, si muove con una certa velocit .
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Figura 1.4 Array in azimuthsintetizzato dal SAR . Il punto P viene illuminato n volte
Man mano che il sensore si muove, Ł possibile registrare lungo la linea di
volo i segnali di ritorno nei punti x1, x2, ..x n. In corrispondenza di ogni stazione
(con una cadenza dettata dalla PRF, pulse repetit ion frequency) il radar emette
un impulso, e subito dopo riceve l energia retroirradiata dalla scena illuminata. Si
fa spesso, nel modellare il funzionamento in azimuth del SAR, la cosiddetta
approssimazione stop-start: si ritiene cioŁ che la piattaforma resti ferma durante il
tempo necessario a trasmettere e ricevere l impulso, e che si porti istantaneamente
sulla posizione della stazione successiva, quindi dopo un tempo 1/PRF. Raccolti e
memorizzati tutti i ritorni relativi alle diverse posizioni si pu immaginare che un
punto a terra sia visto da un allineamento (o arr ay) di antenne reali, che prende
il nome di antenna sintetica .
La risoluzione elevata Ł ottenuta quindi sintetizzando nel sistema di
elaborazione del segnale un apertura di antenna estremamente grande, spostando
una piccola antenna lungo una traccia (prestabilita e nota a priori) e poi
elaborando il segnale ricevuto. Ci Ł realizzato in forma digitale da un computer a
terra. Il sistema SAR, in definitiva, riesce ad ottenere risoluzioni molto
vantaggiose anche da satellite: infatti, si dimostra che tali risoluzioni non
dipendono dalla quota ma dalle dimensioni dell antenna per la risoluzione in
azimuth, e dalla banda dell impulso chirp per la risoluzione in range.
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