Stima del livello di inondazione da immagini HR SAR : Confronto tra l'approccio Globale e Locale

Introduzione 
 
 
Lo studio, presentato in questo elaborato di tesi, affronta il problema della stima del livello di 
inondazione di aree urbane a partire da immagini SAR (Radar ad Apertura Sintetica). In 
questo lavoro si fa ampia trattazione di  due diversi approcci, quello locale e quello globale, 
che rendono possibile tale stima. L’attenzione è poi focalizzata sul loro confronto. La tesi è 
stata sviluppata utilizzando due immagini High Resolution (HR) SAR acquisite dal sensore 
TerraSAR-X e rese disponibili dal GermanAerospace Center, DLR. Entrambe le immagini si 
riferiscono alla regione del Gloucestershire (U.K.); la prima è riferita all’alluvione avvenuta 
nel Luglio 2007, mentre, la seconda è stata acquisita nel Luglio 2008 in assenza di 
inondazione.In particolare l’area di interesse, oggetto di questa trattazione, è la cittadina di 
Tewkesbury. Vengono evidenziati i notevoli miglioramenti ottenuti grazie all’ausilio delle 
immagini ad alta risoluzione (HR). Difatti, fino a pochi anni fa la risoluzione delle immagini 
era tale da poter distinguere soltanto oggetti a terra di dimensioni dell’ordine delle decine di 
metri. Ultimamente, invece, grazie al progresso tecnologico, le agenzie spaziali sono riuscite 
ad acquisire immagini con risoluzione di pochi metri fornendo particolari del tutto 
inaspettati.Un aspetto fondamentale, da non trascurare, del telerilevamento radar risiede nel 
monitoraggio di catastrofi e nella rapida individuazione delle zone colpite. Un utilizzo 
intelligente di tali immagini è in grado di fornire informazioni aggiornate e velocemente 
disponibili, in modo da poter migliorare la gestione delle situazioni di emergenza dovute a 
calamità naturali. La tesi è stata strutturata nel modo seguente. 
Nel capitolo I viene introdottoil telerilevamento. Se ne sottolinea l’importanza e si spiegano i 
vantaggi che, da esso, si possono ottenere. Vengono inoltre introdotti i sensori ed, infine, si 
discute sulle informazioni contenute in un immagine telerilevata. 
Il capitolo II tratta il radar ad apertura sintetica (SAR)ed il suo funzionamento; viene spiegato 
il concetto di risoluzione e vengono, inoltre, evidenziati gli effetti di distorsione geometrica 
presenti sulle immagini HR SAR.  
Nel capitolo III viene introdotto il modello elettromagnetico canonico di campo diffuso da un 
edificio e vengono descritti i contributi di riflessione singola, doppia e tripla. Viene illustrata 
la posizione di tali contributi su immagini SAR. 
Nel capitolo IV sono esposti i parametri geometrici e radiometrici stimabili da un’immagine 
HR SAR ed il legame tra la radar cross sectione l’altezza. Viene descritta la procedura per
Introduzione 
 
 
stimare l’altezza di un edificio a partire dalla striscia di doppia riflessione ed, infine, si 
analizza la fenomenologia dell’acqua in immagini  HR SAR. 
Nel capitolo V viene analizzato il sensore TerraSAR-X utilizzato per l’acquisizione delle 
immagini HR SAR e le sue modalità di funzionamento. Sono descritte le procedure per 
l’apertura delle immagini d’interesse mediante i due differenti software adoperati: ENVI ed 
IDL. 
Nei capitoliVI e VIIsono presentati nel dettaglio i due diversi approcci,global 
approachelocalapproach, per estrarre il livello di inondazione a partire daimmagini SAR.  
Al capitolo VIII è trattato il caso di studio oggetto della tesi. Sono, infine, mostrati e valutati i 
risultati di misura ottenuti mediante il localapproach e il global approach.
Capitolo primo 
Introduzione al telerilevamento 
 
 
 
In questo capitolo si dà un’introduzione generale al telerilevamento. Se ne sottolinea 
l’importanza ed i vantaggi che si possono ottenere da esso. Vengono inoltre introdotti in 
via del tutto generica i sensori. Infine si discute sulle informazioni contenute in 
un’immagine telerilevata. 
 
1.1 Cos’è il telerilevamento? 
 
Il telerilevamento è una tecnica usata per ottenere informazioni da oggetti che si basa 
sulla raccolta e sull’analisi di dati senza che lo strumento usato per raccogliere i dati 
stessi entri in contatto diretto con l’oggetto studiato. Nel telerilevamento, tre elementi 
sono essenziali:  
1.una PIATTAFORMA in grado di sostenere lo strumento  
2.un OGGETTO da osservare 
3.uno strumento o un SENSORE per osservare l’oggetto. 
Un elemento importante è costituito anche dalle informazioni che si ottengono dai dati 
dell’immagine e dal modo in cui esse vengono utilizzate e salvate. Nel campo 
dell’ingegneria quando si parla di telerilevamento, l’oggetto osservato è la superficie 
della Terra e il telerilevamento viene inteso come un mezzo di misura a distanza delle 
proprietà di oggetti presenti sulla superficie della Terra. Le piattaforme sono tutti i 
mezzi di trasporto che determinano “la distanza” dalla superficie del pianeta (per 
esempio, aerei e satelliti). L’oggetto da osservare è il nostro pianeta, i sensori sono tutti 
gli strumenti utilizzati per osservare la Terra (telecamere, scanner, radar, ecc.) e le 
informazioni ottenute ed elaborate sono un utile strumento che aumenta la nostra 
conoscenza del pianeta e delle sue problematiche (l’evoluzione del buco d’ozono, 
l’avanzamento dei deserti, l’aumento della deforestazione e molto altro ancora)
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 D’ora in avanti, il termine telerilevamento si dovrà intendere nell’accezione in cui è utilizzato dagli 
ingegneri. Il telerilevamento è una scienza che mira soprattutto a osservare e scoprire quello che succede 
sulla superficie terrestre. 
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Capitolo 1                                                                                                       Introduzione al telerilevamento 
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1.2 Le piattaforme: Aerei e Satelliti 
 
Per quanto siano sofisticati gli strumenti utilizzati per il telerilevamento, senza un 
mezzo idoneo a sorvolare la Terra non è possibile acquisire dall’alto una panoramica 
ragionevole. È per questo che il telerilevamento è una scienza relativamente nuova. 
Attualmente il modo più semplice per monitorare la Terra a distanza consiste 
nell’utilizzo di aerei, questi per poter scattare fotografie vengono equipaggiati con 
macchine fotografiche. Caratteristico degli aerei (dal punto di vista del telerilevamento) 
è il fatto di volare ad una quota relativamente bassa (solo alcuni chilometri sulla 
superficie terrestre) e quindi di poter scattare solo fotografie di aree limitate, anche se 
tali fotografie consentono di riconoscere molti dettagli (es. automobili, persone, alberi, 
ecc.). Affinché tali aerei possano compiere voli di rilevamento, le condizioni 
meteorologiche devono essere sufficientemente buone da garantire la possibilità di 
acquisire molte fotografie; quindi le fotografie scattate dagli apparecchi a bordo di tali 
aerei sono spesso abbastanza nitide (se in assenza di nubi). D’altra parte gli aerei non 
possono volare sempre (ad es. di notte o quando piove o c’è foschia, anche se spesso è 
proprio in circostanze come queste che servono le immagini). In Figura 1.1 è mostrato 
un esempio di fotografia aerea. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.1 Fotografia aerea della zona ovest di Londra 
 
Si riesce a vedere tutti i dettagli della fotografia (per es. le macchine, il traffico stradale, 
le finestre degli edifici, i bus londinesi, ecc.). Nel 1957 un evento importante segnò 
l’inizio di una nuova era nell’osservazione della Terra. In quell’anno l’Unione Sovietica 
lanciò il primo satellite (Sputnik) della storia. Ma cos’è un satellite? Dalle scienze ci
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viene la definizione classica ossia un satellite è un corpo celeste orbitante intorno ad un 
pianeta o un corpo celeste che si muove attorno ad un pianeta. Ad esempio, un satellite 
che tutti conosciamo è la Luna. In generale, si dice che la Luna è un “satellite naturale” 
perché non è costruito dall’uomo. Per contro, i “satelliti artificiali” sono oggetti 
costruiti dall’uomo in orbita attorno ai pianeti. Quindi, nel telerilevamento, quando si 
parla di satelliti, ci si riferisce sempre a satelliti di tipo artificiale. I satelliti, oggi, sono 
le principali piattaforme utilizzate nel telerilevamento, essi sono in grado di trasportare 
una vasta gamma di sensori (sensori per studiare le condizioni meteorologiche, per 
studiare i paesaggi o i disastri naturali, altri per studiare la vegetazione ecc.). Rispetto 
agli aerei, una volta lanciato e raggiunta la sua orbita, un satellite è sempre a 
disposizione quindi non c’è bisogno di progettare un volo per acquisire immagini. Un 
altro grande vantaggio dei satelliti sta nel fatto che sono in grado di acquisire immagini 
di vaste aree (visione sinottica). Per esempio, sarebbe complicato per un aereo compiere 
una ricognizione sull’intera superficie di un oceano per individuare potenziali perdite di 
petrolio lasciate da una nave. Con un satellite, invece, il compito è molto più semplice. 
Il sensore a bordo di un satellite cattura regolarmente immagini dell’oceano, che sono 
poi inviate a una “stazione base”, qui le immagini sono elaborate opportunamente, per 
valutare l’eventuale inquinamento dell’oceano. L’immagine satellitare, in Figura 1.2, 
mostra, in nero, un mare molto inquinato. In quel momento l’aereo addetto al 
monitoraggio osservò solo l’inquinamento vicino alla costa, ma l’immagine dal satellite 
rivelò che l’entità dell’inquinamento era molto maggiore. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.2 Immagine acquisita dal satellite ERS-1 nel dicembre 1992, dieci giorni dopo che la petroliera 
greca Aegean Sea finì arenata sulla costa spagnola.
Capitolo 1                                                                                                       Introduzione al telerilevamento 
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In ogni caso anche i satelliti hanno dei limiti. Alcuni di questi seguono. 
Anzitutto il costo dei satelliti è molto maggiore di quello degli aerei, inoltre progettare 
missioni aeree è più rapido ed economico. Se serve un’immagine di una particolare area 
o si aspetta che il satellite sorvoli quella zona (ma possono passare alcuni giorni) o si 
usa un altro satellite. Questa è una delle ragioni per cui servono così tanti satelliti per 
avere una copertura più o meno completa della superficie del pianeta. 
 
1.2.1 Orbite satellitari 
 
Poiché i satelliti sono in orbita al di fuori dell’atmosfera, non risentono della resistenza 
dell’aria e quindi per la legge d’inerzia volano a velocità costante. In più, fuori 
dall’atmosfera forze, che agiscono contemporaneamente sui satelliti, quali la spinta 
gravitazionale della Terra e la forza centrifuga, vengono a bilanciarsi. Il risultato di ciò è 
che i satelliti volano su orbite stabili, anche per molti anni, attorno alla Terra. La spinta 
gravitazionale diminuisce più ci si allontana dalla Terra, mentre la forza centrifuga 
aumenta di pari passo con l’aumento della velocità orbitale. Quindi un satellite in 
un’orbita bassa, cioè a una distanza di circa 800 km dalla Terra, è esposto a una forte 
attrazione gravitazionale quindi deve spostarsi a una velocità considerevole per generare 
una forza centrifuga di pari entità. C’è quindi una connessione diretta tra la distanza 
dalla Terra e la velocità orbitale del satellite. A una distanza di 36000 km, l’orbita ha 
una durata di ventiquattro ore, pari al tempo di rotazione della Terra, a questa distanza 
un satellite in orbita sopra l’equatore sarà stazionario in rapporto con la Terra. Queste 
orbite sono dette “geostazionarie” e sono utilizzate principalmente dai numerosi 
satelliti di telecomunicazione. Un satellite stazionario utilizzato per il telerilevamento 
offre il vantaggio di vedere la Terra sempre dalla stessa prospettiva, ciò significa che è 
in grado di registrare la stessa immagine a brevi intervalli di tempo. Questa 
caratteristica è particolarmente utile per osservazioni delle condizioni meteorologiche. 
Uno svantaggio delle orbite geostazionarie risiede nella grande distanza dalla Terra che 
riduce la risoluzione spaziale raggiungibile. Per ottenere, allora, una panoramica globale 
o si usano molti satelliti  in orbita geostazionaria distribuiti uniformemente in varie parti 
del mondo oppure si fa uso di un’altra orbita. In questo caso il satellite è posizionato su 
un’orbita polare, allora, mentre il satellite esegue rivoluzioni intorno alla propria orbita, 
la Terra ruota sul proprio asse e ogni volta che il satellite effettua una rotazione 
completa, viene effettuata una scansione di una nuova striscia della superficie terrestre.
Capitolo 1                                                                                                       Introduzione al telerilevamento 
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Dopo un certo numero di rotazioni si otterrà una scansione intera della Terra. Alcuni 
satelliti effettuano ogni volta una scansione ampia e possono, di conseguenza, ricoprire 
l’intera superficie della Terra in poche rotazioni; al contrario, i satelliti con elevata 
risoluzione che effettuano scansioni di porzioni piccole di superficie impiegano vari 
giorni per coprire l’intera superficie terrestre. 
 
1.3 Gli oggetti da osservare 
 
La Terra è troppo grande per essere osservata tutta in una volta, per avere una immagine 
dell’intera sfera terrestre, il satellite deve allontanarsi dal pianeta. Ma un satellite che 
percorre una sua orbita non può cambiare improvvisamente percorso. 
 
 
Figura 1.3 Nell’immagine a sinistra il satellite è posizionato su un’orbita relativamente lontana dalla 
Terra (±36.000km), è  per questo che si può vedere l’ ”intero” pianeta. Nell’immagine di destra invece 
l’orbita del satellite è molto più vicina alla Terra (±800km). Ogni quadrato (nero e rosso) rappresenta 
un’immagine. 
 
 
Quando serve un’immagine completa del pianeta (l’intero disco), si usa un satellite 
diverso posto su un’orbita più lontana. Volendo un’immagine di una porzione più 
grande della superficie della Terra, bisognerà programmare il sensore a bordo del 
satellite affinché catturi molte immagini l’una vicina all’altra. Eseguendo un mosaico 
d’immagini si può ottenere una visione di un’area più grande al suolo e persino 
dell’intero pianeta. Quando si uniscono varie immagini, per formarne una più grande, si  
parla di creazione di un “mosaico” di immagini. A volte si vuole osservare un elemento 
particolare più in dettaglio, “zoomando” su una porzione piccola della superficie 
terrestre. La scelta dell'immagine appropriata dipende dallo scopo che ci si prefigge. Per 
esempio, con riferimento a Figura 1.4, se si deve misurare la crescita di una città,
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l’immagine di sinistra è più appropriata, ma se si deve misurare la densità del traffico, 
sarà migliore quella di destra. 
 
 
Figura 1.4 L’immagine a sinistra è un’immagine satellitare di Londra mentre quella a destra è una 
fotografia aerea di Londra. 
 
A volte c’è la necessità di osservare alcuni fenomeni che accadono sulla superficie della 
Terra, in questi casi si dovranno avvicinare lo zoom e ingrandire un elemento 
particolare anziché una regione specifica. Per esempio, si potrebbe decidere di 
avvicinare lo zoom su un uragano, un incendio della foresta o un’area colpita da 
inondazione. Quando le immagini dal satellite si possono utilizzare per osservare tipi 
specifici di elementi o eventi, si parla di applicazioni di quel satellite. Per esempio, una 
delle applicazioni del satellite ERS è di monitorare l’evoluzione del buco d’ozono sopra 
l’Antartide. 
 
1.4 I sensori 
 
Nel telerilevamento, lo strumento usato per acquisire immagini è solitamente chiamato 
“sensore” e, in base al tipo di oggetto da osservare o comunque in base alla determinata 
applicazione che si vuole condurre, si stabilisce il sensore più adeguato per compiere le 
acquisizioni d’immagine. Si può pensare al sensore come a una specie di macchina 
fotografica, ad ogni modo si preferisce usare questo termine perché fa riferimento a una 
gamma più ampia di possibilità di acquisire informazioni rispetto a una classica 
macchina fotografica. Infatti, una macchina fotografica fa riferimento a informazioni 
che si possono vedere solo attraverso gli occhi, mentre nel telerilevamento i sensori 
consentono anche di acquisire informazioni che l’occhio umano non è in grado di 
vedere (usando radiazioni in altre parti dello spettro elettromagnetico, piuttosto che nel
Capitolo 1                                                                                                       Introduzione al telerilevamento 
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visibile). Per capire come il sensore può acquisire queste informazioni supplementari 
c’è da fare un passo indietro. Cominciamo dicendo che tutti gli oggetti riflettono una 
parte della luce che li raggiunge e questa quantità di luce generalmente “dona” agli 
oggetti il loro colore. Per esempio, osservando una pianta, quest’appare verde perché la 
pianta riflette parte della luce che l’occhio vede come verde, mentre una mela appare 
rossa perché riflette parte della luce che corrisponde al rosso. Alcuni oggetti non solo 
riflettono la luce che li raggiunge, ma emettono anche una “radiazione”. Ad esempio, 
un incendio emette calore e luce, così che un incendio è individuabile sia nello spettro 
del visibile sia dell’infrarosso. La luce (e il calore) che è emessa e riflessa dagli oggetti 
è chiamata “radiazione”. Con il termine radiazione s’intende un insieme di particelle 
dotate di carica elettrica in movimento. Il movimento, in questo caso, è un “onda”. Di 
conseguenza, per misurare una radiazione emessa o riflessa da oggetti, è necessario 
misurare la loro lunghezza d’onda  , ossia la lunghezza dell’onda irradiata 
dall’oggetto. Misurando la lunghezza d’onda  , si è capito che alcuni oggetti riflettono 
a lunghezze d’onda che non sono visibili dall’occhio umano (per esempio, gli 
infrarossi). L’insieme di tutte le lunghezze d’onda possibili costituisce lo “spettro 
elettromagnetico” (si veda Figura 1.5). Nel telerilevamento, si usano numerosi sensori 
dotati di varie sensibilità a diverse lunghezze d’onda nello spettro elettromagnetico. Per 
esempio, il visore a infrarossi è un sensore costruito specificatamente per “vedere” 
oggetti che emettono radiazione nell’infrarosso (persino al buio). Tutti i sensori 
specializzati nella ricezione di lunghezze d’onda riflesse o emesse da oggetti osservati, 
sono chiamati “sensori passivi”. Tutti i sensori, invece, capaci di emettere radiazioni, 
poi riflesse dagli oggetti, e in grado di misurare l’energia che ritorna verso di loro sono 
detti “sensori attivi”. Questa seconda categoria di sensori è più sofisticata e consente di 
acquisire immagini in ogni caso, ciò non può dirsi  per i sensori passivi. Difatti la 
presenza di buio, nubi o foschia, talvolta, costituisce un limite alle applicazioni 
realizzabili con sensori passivi. In particolare questi risultano essere “intralciati” dagli 
“ostacoli”, menzionati precedentemente, per cui in determinate applicazioni di interesse, 
necessitano della luce solare per acquisire immagini dettagliate.