IMPIEGO CARTOGRAFICO DI IMMAGINI SATELLITARI AD ALTA RISOLUZIONE – LE PROBLEMATICHE METRICHE:

DATI PRIMARI, METODOLOGIE, SPERIMENTAZIONI

Mattia CRESPI, Valerio BAIOCCHI, Laura DE VENDICTIS, Francesca LORENZON

Area di Geodesia e Geomatica - DITS - Università di Roma "La Sapienza", via Eudossiana, 18 - 00184 Roma Tel. +39-0644585097, Fax +39-0644585515, E-mail: mattia.crespi@uniroma1.it

Riassunto Il lavoro esamina gli aspetti generali e le problematiche relative all’acquisizione e all’elaborazione di immagini satellitari ad alta risoluzione per formazione ed aggiornamento di cartografia a media scala. Si discute inoltre il risultato della prima sperimentazione condotta in Italia relativa alla redazione di un’ortofotocarta sulla base di un’immagine digitale ad alta risoluzione e si delineano infine alcuni problemi che dovranno essere risolti in un prossimo futuro per ampliare significativamente il mercato di tali immagini. Introduzione Le tradizionali metodologie di aggiornamento e produzione di cartografia si basano su immagini ottenute mediante voli fotogrammetrici. Durante gli scorsi tre anni sono stati però lanciati satelliti (IKONOS II, EROS A1, QuickBird, SPOT 5) dotati di sensori che permettono l’acquisizione di immagini in modalità pancromatica e multispettrale (ad eccezione di EROS A1) ad alta risoluzione (da 0.6 a 2.5 m nel pancromatico, da 2.4 a 5 m nel multispettrale); tali immagini possiedono nominalmente caratteristiche di precisione compatibili con quelle della cartografia a media scala (1:25000 – 1:10000) e forse anche a scala maggiore (1:5000). È pertanto divenuto argomento di indagine scientifica la verifica della possibilità di utilizzarle (sia dal punto di vista metrico che da quello tematico legato al riconoscimento degli oggetti) per operazioni di formazione ed aggiornamento cartografico nell’ambito delle scale suddette, in sostituzione od integrazione dei voli fotogrammetrici, che comunque sono attualmente insostituibili per aggiornamento e produzione di cartografia a grande scala (≥ 1:5000). A tal riguardo, significative iniziative a livello internazionale sono state intraprese dall’OEEPE (Holland et al., 2002) e da diversi gruppi di ricerca (Cheng, Toutin, 2001; Jacobsen, 2002; Vassilopoulou et al., 2002) Inoltre è opportuno ricordare due pregi fondamentali del telerilevamento ad alta risoluzione, che si concretizzano nelle possibilità seguenti: • eseguire rilevamenti ad intervallo regolare, dipendente unicamente dal tempo di rivisitazione del

satellite utilizzato e variabile attualmente da 1 giorno a qualche decina di giorni, in dipendenza delle caratteristiche dell’immagine richiesta; tale pregio assume importanza particolare qualora sia necessario monitorare con continuità l’evoluzione di un certo territorio, ad esempio in situazioni di emergenza;

• eseguire rilevamenti di territori logisticamente molto difficili da raggiungere o comunque critici dal punto di vista dell’organizzazione di voli fotogrammetrici; tale pregio assume particolare rilevanza dal punto di vista della produzione cartografica a media scala nei paesi in via di sviluppo.

Tuttavia, l’effettiva utilizzabilità delle immagini ad alta risoluzione per scopi cartografici dipende ovviamente da molteplici fattori: le caratteristiche proprie di ogni sensore (innanzitutto le risoluzioni geometrica e radiometrica), le tipologie di prodotti commercializzati dalle società che

gestiscono i diversi satelliti, il loro costo ed il tempo necessario per ottenerli, la disponibilità ed il costo di software commerciali idonei al trattamento di tali prodotti. A tal proposito, infine, è necessario sottolineare che, allo stato attuale, sono ancora molto limitate le applicazioni fotogrammetriche vere e proprie, ovvero basate su coppie stereoscopiche di immagini, a causa della formale (per motivi militari) o sostanziale (per i costi elevatissimi) indisponibilità di tali coppie fino a tempi molto recenti ed in parte anche ancor oggi (QuickBird). Conseguentemente, nel seguito, l’attenzione sarà focalizzata essenzialmente sulle problematiche metriche relative all’impiego di immagini satellitari ad alta risoluzione per la realizzazione di ortofotocarte; le problematiche tematiche, relative al riconoscimento degli oggetti ed a successive operazioni di classificazione non vengono qui esaminate e si rimanda al dettagliato rapporto dell’OEEPE già citato.

Caratteristiche dei satelliti ad alta risoluzione IKONOS II Il satellite IKONOS II è stato lanciato il 24 Settembre 1999 dalla Vandenberg Air Force Base, California; le sue caratteristiche sono riassunte in Tabella 1.

Tabella 1 - Specifiche tecniche di IKONOS II

IKONOS II Altitudine dell'orbita 681 km

Tipo di orbita polare eliosincrona Inclinazione dell'orbita 98.1°

Periodo orbitale 98 min Sensore pancromatico SI Sensore multispettrale SI

Ampiezza della traccia di osservazione 11 km al nadir Modalità di acquisizione sincrona Dimensione della scena 120 km2

Risoluzione nominale del pixel a terra in pancromatico 1 m al nadir Risoluzione nominale del pixel a terra in multispettrale 3.2 m al nadir

Intervallo spettrale del pancromatico 0.45 - 0.90 µm Intervallo spettrale banda 1 – blu 0.45 - 0.53 µm

Intervallo spettrale banda 2 – verde 0.52 - 0.61 µm Intervallo spettrale banda 3 – rosso 0.64 - 0.72 µm

Intervallo spettrale banda 4 – infrarosso vicino 0.77 - 0.88 µm Ampiezza della dinamica 11 bit per pixel Massimo angolo off-nadir 26°

Periodo di rivisitazione al nadir 14 gg Periodo di rivisitazione off-nadir 0°÷15° 2.9 gg Periodo di rivisitazione off-nadir > 15° 1.5 gg

Tempo minimo per richiesta acquisizione 24-48 ore Tempo minimo di risposta dall'ordine 50 gg Tempi di consegna dall'acquisizione 10 gg

Copertura nuvolosa 20% Stereocoppie SI

Disponibilità modello geometrico del sensore SI, a pagamento

I prodotti attualmente disponibili sono di tre tipi: Carterra Geo, Carterra Orthorectified e Standard Stereo. Carterra Geo è un prodotto geometricamente ”corretto”, ottenuto proiettando l’immagine sull’ellissoide WGS84 non considerando la morfologia. E’ disponibile con risoluzioni nominali di 1 m nel pancromatico e 4 m nel multispettrale in coordinate cartografiche UTM-WGS84. Le risoluzioni effettive possono variare e vengono indicate nel file di metadati a corredo dell’immagine. Nel processo di proiezione vengono in parte rimosse le distorsioni dell’immagine introdotte dalla geometria dell’acquisizione e viene ricampionata l’immagine ottenendo pixel di dimensioni uniformi, uguali alla risoluzione effettiva. La precisione planimetrica è di 25 m (1 σ). I prodotti Carterra Geo possono essere corredati (con costo addizionale) dell’Image Geometry Model (IGM) (prodotto Geo Ortho Kit), un modello polinomiale della geometria del sensore (non rilasciata) necessario per un’eventuale successiva ortorettificazione dell’immagine basata su un appropriato modello digitale del terreno (DEM) e su adeguati punti di controllo (GCP). L’accuratezza finale del processo di ortorettificazione dipende non solo dalla qualità e dalla definizione del DEM e dei GCP, ma anche dall’angolo di presa (Sensor Elevation Angle) con il quale il satellite acquisisce l’immagine. Pertanto se si intende utilizzare il prodotto Carterra Geo per una successiva ortorettificazione è preferibile per questo richiedere una limitazione dell’angolo di presa ad un intervallo compreso tra 72° e 90°, quasi nadirale. I prodotti Carterra Orthorectified sono immagini ortorettificate e georiferite rispetto ad uno specifico sistema di proiezione ed ellissoide; le immagini vengono ricampionate come nel caso del prodotto Carterra Geo. Sono disponibili quattro differenti livelli di accuratezza (1 σ): • Carterra Reference - Specifico per applicazioni GIS che richiedono un basso livello di

accuratezza; la precisione planimetrica è di 12 m, in linea con i requisiti di una cartografia in scala 1:50000; il prezzo del prodotto (Reference A, Reference B) varia a seconda che il DEM venga o meno fornito dal cliente

• Carterra Pro – Specifico per applicazioni ambientali, urbanistiche e socio-economiche; la precisione planimetrica è di 5 m, in linea con i parametri richiesti per la produzione cartografica in scala 1:25000; il prezzo del prodotto (Pro A, Pro B) varia a seconda che il DEM venga o meno fornito dal cliente

• Carterra Precision - Specifico per mappe urbane, catastali ed applicazioni GIS di precisione; la precisione planimetrica è di 2 m, in linea con i requisiti di una cartografia in scala 1:10000; richiede la fornitura, da parte del cliente, dei punti di controllo al suolo, che possono essere anche forniti dal rivenditore con un costo addizionale valutato caso per caso

• Carterra Precision Plus - È il prodotto più preciso: la precisione planimetrica è di 1 m, in linea con i parametri richiesti per la produzione cartografica in scala 1:5000; richiede la fornitura, da parte del cliente, dei punti di controllo al suolo, che possono essere anche forniti dal rivenditore con un costo addizionale valutato caso per caso

I prodotti Standard Stereo sono ottenuti da stereocoppie acquisite nello stesso passaggio orbitale, minimizzando così le variazioni di luminosità; le immagini sono ricampionate a 1 m in modo da permettere una più facile visualizzazione. La coppia stereoscopica viene rilasciata insieme al modello polinomiale della geometria del sensore (non rilasciata), che permette un’elaborazione di tipo fotogrammetrico e la creazione del modello digitale del terreno tramite l’uso dei più comuni software commerciali. Sono distribuiti in due differenti livelli di accuratezza (1 σ): • Reference Stereo – precisione di 12 m in planimetria e di 13 m in quota

• Precision Stereo – precisione di 1 m in planimetria e di 2 m in quota; in questo caso sono necessari punti di controllo a terra, che possono essere forniti dal cliente o dal fornitore con un costo addizionale valutato caso per caso

Sia per il prodotto Carterra Geo che per quelli Carterra Pro il prezzo varia notevolmente a seconda che l’immagine sia d’archivio o di nuova acquisizione. Per tutti i prodotti vi sono limiti sulla superficie minima ordinabile (Tabella 2).

Tabella 2 - Prezzi dei prodotti IKONOS II (aggiornati al 16 maggio 2003)

QuickBird Il satellite QuickBird è stato lanciato dalla Vandenberg Air Force Base, California, il 18 ottobre 2001, utilizzando come veicolo di lancio un Boeing Delta II. QuickBird fornisce le immagini aventi la risoluzione più elevata tra quelle attualmente disponibili; le sue caratteristiche sono riassunte in Tabella 3. I prodotti attualmente disponibili sono di tre tipi: Basic Imagery, Standard Imagery, Ortho Imagery. I prodotti Basic Imagery sono destinati ad utenti con adeguate conoscenze sull’elaborazione delle immagini. Le immagini sono solo radiometricamente corrette e sono comunque corredate delle informazioni sui parametri della camera per permettere successive elaborazioni di tipo fotogrammetrico, quali l’ortorettificazione. La dimensione del pixel è quella effettiva della presa,

Prodotto Modalità Risoluzione (m) Descrizione Prezzo base

(per km2)

Ordineminimo(km2)

Pan 1 € 20.00 Carterra Geo

MS 4

Radiometricamente e geometricamente

corretta € 20.00 100

Pan 1 € 16.00 Carterra Geo (Archivio)

Immagini più vecchie di 4 mesi MS 4

Radiometricamente e geometricamente

corretta € 16.00 50

Pan 1 € 31.00 Carterra Reference A (DEM fornito dal cliente) MS 4

Ortorettificata € 31.00

100

Pan 1 € 54.50 Carterra Reference B (DEM non fornito dal cliente) MS 4

Ortorettificata € 54.50

100

Pan 1 € 44.00 Pro A (DEM fornito dal cliente) MS 4

Ortorettificata € 44.00

100

Pan 1 € 72.00 Pro B (DEM non fornito dal cliente) MS 4

Ortorettificata € 72.00

100

Pan 1 € 90.00 Precision (GCP forniti dal cliente) MS 4

Ortorettificata € 90.00

100

Pan 1 € 107.00 Precision Plus (GCP forniti dal cliente) MS 4

Ortorettificata € 107.00

100

Pan 1 Standard Stereo

MS 4

Proiezione cartografica o

epipolare

Prezzo da definire con il fornitore

100

Pan 1 Precision Stereo

MS 4

Proiezione cartografica o

epipolare

Prezzo da definire con il fornitore

100

funzione dell’angolo di acquisizione, e può variare da 0.61 a 0.72 m, nel caso della modalità pancromatica, e da 2.44 a 2.88 m, nel caso della modalità multispettrale. La precisione planimetrica è di 14 m (1 σ). I prodotti Standard Imagery sono sottoposti a correzioni radiometriche e geometriche e l’immagine è proiettata e georiferita in un sistema di proiezione cartografica. La dimensione del pixel è fissata a 0.70 m, nel caso della modalità pancromatica e a 2.8 m nel caso della modalità multispettrale. Anche per questo prodotto la precisione planimetrica è di 14 m (1 σ). I prodotti Ortho Imagery sono destinati ad un’utenza che necessita di un prodotto pronto per essere implementato in un GIS, oppure di un’accuratezza geometrica elevata per applicazioni cartografiche. L’immagine viene sottoposta ad ortorettificazione al fine di raggiungere differenti livelli di precisione di georeferenziazione, in base ai requisiti richiesti dalla scala cartografica di riferimento. I prodotti ortorettificati vengono quotati caso per caso, a seconda anche della messa a disposizione da parte del cliente di materiale di supporto necessario al processo come, ad esempio, punti di controllo e DEM. I prezzi relativi ad ogni prodotto sono riportati nella Tabella 4 (sono stati forniti da Digitalglobe Inc. quelli dei prodotti Orthorectified e da Telespazio S.p.a. quelli di tutti gli altri).

Tabella 3 - Specifiche tecniche di QuickBird

QuickBird Altitudine dell'orbita 450 km

Tipo di orbita polare eliosincrona Inclinazione dell'orbita 97.2°

Periodo orbitale 93.5 min. Sensore pancromatico SI Sensore multispettrale SI

Ampiezza della traccia di osservazione 16.5 km al nadir Modalità di acquisizione sincrona Dimensione della scena 272 km2

Risoluzione nominale del pixel a terra in pancromatico 0.61 m al nadir Risoluzione nominale del pixel a terra in multispettrale 2.44 m al nadir

Intervallo spettrale del pancromatico 0.45 - 0.90 µm Intervallo spettrale banda 1 - blu 0.45 - 0.52 µm

Intervallo spettrale banda 2 - verde 0.52 - 0.60 µm Intervallo spettrale banda 3 - rosso 0.63 - 0.69 µm

Intervallo spettrale banda 4 – infrarosso vicino 0.76 - 0.90 µm Ampiezza della dinamica 11 bit per pixel Massimo angolo off-nadir 25°

Periodo di rivisitazione al nadir Non disponibile Periodo di rivisitazione off-nadir 0°÷15° 4-5 gg Periodo di rivisitazione off-nadir > 15° 1-3.5

Tempo minimo per richiesta acquisizione 24-48 ore Tempo minimo di risposta dall'ordine 90 gg Tempi di consegna dall'acquisizione 10 gg

Copertura nuvolosa 20% Stereocoppie NO

Disponibilità modello geometrico del sensore SI, gratuitamente

Tabella 4 - Prezzi dei prodotti QuickBird (aggiornati al 16 maggio 2003)

SPOT 5 Il satellite SPOT 5 è stato lanciato il 4 maggio 2002 dal Guiana Space Centre a Kouros (Guiana Francese) ed è operativo dal 16 luglio 2002; le sue caratteristiche sono riassunte in Tabella 5. SPOT 5 continua la missione dei precedenti satelliti, iniziata nel febbraio 1986 con il lancio di SPOT 1, seguito poi da SPOT 2, 3 e 4, e fornisce immagini con risoluzione geometrica a terra fino a quattro volte maggiore rispetto a SPOT 4. Tramite un particolare processamento denominato “supermode” si può ottenere un miglioramento della risoluzione geometrica, in modalità pancromatica, da 5 m a 2.5 m; tale processo viene effettuato in parte a bordo del satellite, in parte a terra: l’immagine viene acquisita, a 5 m da due sensori con uno sfalsamento reciproco nel piano della focale di mezzo pixel, sia orizzontalmente che verticalmente. Le due immagini a 5 m di risoluzione, attraverso successivi processi di interpolazione, producono un’immagine con 2.5 m di risoluzione effettiva. Nella tabella seguente si riportano in maniera sintetica le specifiche tecniche del satellite SPOT 5. I prodotti al momento disponibili sono suddivisi in 5 differenti livelli: 1A, 1B, 2A, 2B, 3A. Livello 1A - Il prodotto non subisce correzioni geometriche; i dati approssimati rilasciati insieme all’immagine (le coordinate del centro della scena e dei quattro vertici) permettono una prima georeferenziazione con una precisione di circa 500 m (1 σ); altre informazioni, come le effemeridi, l’assetto e l’angolo di presa, possono essere utilizzate per correggere geometricamente l’immagine, eseguirne l’ortorettificazione o generazione un DEM da una stereocoppia. Livello 1B – Il prodotto è fornito con una correzione geometrica che compensa le distorsioni dell’immagine dovute alle condizioni di acquisizione (variazione dell’assetto del satellite, la curvatura terrestre, la rotazione della terra durante la presa, etc); può essere utilizzata per operazioni di carattere geometrico speditivi come misure di angoli, distanze e superfici; è da notare che per il prodotto 1B è stata creata una particolare proiezione che non rientra in nessuno standard cartografico.

Prodotto Modalità Risoluzione (m) Descrizione

Prezzo base

(per km2)

Ordine minimo (km2)

Pan 0.61 € 21.50 Basic Imagery MS 2.44

Radiometricamente corretta € 23.75

272

Pan 0.61 € 17.00 Basic Imagery (Archivio) MS 2.44

Radiometricamente corretta € 19.00

272

Pan 0.7 € 21.50 Standard Imagery

MS 2.8

Radiometricamente e geometricamente

corretta € 23.75 64

Pan 0.7 € 17.00 Standard Imagery (Archivio) MS 2.8

Radiometricamente e geometricamente

corretta € 19.00 25

Pan 0.7 € 79.00 Orthorectified Imagery (DEM 1:25000 non fornito dal cliente) MS 2.8

Ortorettificata € 87.00

100

Pan 0.7 € 35.00 Orthorectified Imagery (DEM e GCP

forniti dal cliente) MS 2.8 Ortorettificata

€ 38.50 100

Tabella 5 - Specifiche tecniche di SPOT 5

Livello 2A – Il prodotto è rilasciato con una correzione geometrica ottenuta tramite un modello di ricampionamento che compensa le distorsioni causate dalle condizioni di acquisizione, e viene fornita in una proiezione cartografica definita dal cliente (proiezione conforme Lambert, UTM, polare stereografica, etc.); al contrario del prodotto 1B, in questo caso l’immagine è già inserita in un sistema cartografico standard. Il modello di ricampionamento è calcolato sulla base dei dati del sistema noti a priori e non fa uso di informazioni esterne, come ad esempio i GCP; per questo la precisione della georeferenziazione all’interno dell’immagine è simile a quella della 1B, ovvero intorno ai 500 m (1 σ). In ogni caso questo errore, che è un errore sistematico di traslazione, può essere ridotto dall’utente anche con un solo punto di controllo e, nelle migliori condizioni, (terreno pianeggiante, basso angolo di off-nadir) si può arrivare ad avere una precisione nella georeferenziazione fino a 50 m (1 σ); in questo modo possono essere sovrapposti all’immagine vari tipi di informazioni geografiche (purché nella stessa proiezione), come file vettoriali, raster o altre immagini satellitari. Livello 2B - Per questo prodotto viene usato lo stesso modello di ricampionamento utilizzato nel livello 2A con l’aggiunta di dati geografici o cartografici come i GCP rilevati da cartografia o misurati a terra. Tale procedura migliora la georeferenziazione che può così arrivare ad avere una precisione compresa tra 10 m e 30 m, dipendente dalla qualità dei punti di controllo.

SPOT 5 Altitudine dell'orbita 832 km

Tipo di orbita polare eliosincrona Inclinazione dell'orbita 98°

Periodo orbitale 101 min. Sensore pancromatico SI Sensore multispettrale SI

Ampiezza della traccia di osservazione 60 km Modalità di acquisizione sincrona Dimensione della scena 3600 km2

Risoluzione nominale del pixel a terra in pancromatico 5 m al nadir Risoluzione nominale del pixel a terra in multispettrale 10 m al nadir

Intervallo spettrale del pancromatico 0.51 - 0.73 µm Intervallo spettrale banda 1 - blu 0.50 - 0.59 µm

Intervallo spettrale banda 2 - verde 0.61 - 0.68 µm Intervallo spettrale banda 3 - rosso 0.79 - 0.89 µm

Intervallo spettrale banda 4 – infrarosso vicino 1.58 - 1.75 µm Ampiezza della dinamica 8 bit per pixel Massimo angolo off-nadir 31°

Periodo di rivisitazione al nadir 26 gg Periodo di rivisitazione off-nadir 0°÷15° Non disponibile Periodo di rivisitazione off-nadir > 15° Non disponibile Tempo minimo di risposta dall'ordine 30 gg

Tempo minimo per richiesta acquisizione 24-48 ore Tempi di consegna dall'acquisizione 10 gg

Copertura nuvolosa 10% Stereocoppie NO

Disponibilità modello geometrico del sensore SI, gratuitamente

Livello 3A – Il prodotto viene fornito già ortorettificato utilizzando un DEM e dei GCP; ciò comporta un notevole miglioramento nell’accuratezza della georeferenziazione, che varia in un intervallo compreso tra i 10 m e i 30 m, dipendente solo dalla qualità dei punti di controllo e del DEM. I prezzi relativi ad ogni prodotto sono riportati nella Tabella 6.

Tabella 6 - Prezzi dei prodotti SPOT 5 (aggiornati al 16 maggio 2003 e riferiti alla scena minima acquistabile)

EROS A1 Il satellite EROS A1, il primo satellite della costellazione EROS, è stato lanciato il 5 dicembre 2000 dalla base russa di Svobodny, situata nella Siberia meridionale. Entro il 2005 sarà messa in orbita una costellazione di 6 satelliti con il seguente programma di lancio: EROSB1 – 2003, EROSB2 – 2004, EROSB3 – 2004, EROSB4 – 2005, EROSB5 – 2005; in realtà, il lancio di EROS B1, previsto nella prima metà di quest’anno, è stato posticipato alla fine del 2004, ciò porterà ad un ritardo di tutto il programma di lancio. E’ bene in ogni caso sottolineare i vantaggi offerti da una costellazione: • aumenta il numero di immagini ricevute

Prodotto Modalità Risoluzione (m) Descrizione Prezzo base

(per km2) Ordine minimo

Pan 2.5 € 7.10 Pan 5 € 4.55 Livello 1A

MS 10

Radiometricamente corretta

€ 4.55

400 km2

Pan 2.5 € 7.10 Pan 5 € 4.55 Livello 1B, 2A MS 10

Radiometricamente e geometricamente

corretta € 4.55 400 km2

Pan 2.5 € 5.10 Pan 5 € 2.55 Livello 1A, 1B, 2A

(Archivio) MS 10

Radiometricamente/ Radiometricamente e

geometricamente corretta € 2.55

400 km2

Pan 2.5 €13.15 Pan 5 € 10.20 Livello 2B MS 10

Georeferenziata € 10.20

7’30x7’30

Pan 2.5 € 8.40 Pan 5 € 5.50 Livello 2B

(Archivio) MS 10

Georeferenziata € 5.50

7’30x7’30

Pan 2.5 € 13.60 Pan 5 € 10.65 Livello 3A MS 10

Ortorettificata € 10.65

7’30x7’30

Pan 2.5 € 8.85

Pan 5 € 5.90 Livello 3A (Archivio)

MS 10

Ortorettificata

€ 5.90

7’30x7’30

• permette di avere una rivisitazione quotidiana di tutti i luoghi di tutto il mondo pressoché alla massima risoluzione (angolo off-nadir prossimo a 0)

• aumenta la probabilità di poter acquisire immagini anche in aree con alta nuvolosità se i satelliti vengono distribuiti su diversi piani orbitali con un ampio intervallo tra i tempi locali di passaggio al nodo ascendente

Le caratteristiche del satellite EROS A1 sono riassunte in Tabella 7.

Tabella 7 - Specifiche tecniche di EROS A1

L’innovativo progetto di EROS A1 permette un’elevata agilità della piattaforma; il satellite può infatti ruotare di 45° in ogni direzione rispetto alla sua orbita, consentendo di acquisire immagini, durante lo stesso passaggio, di differenti zone. La capacità del satellite di ruotare permette inoltre di acquisire immagini stereo durante il passaggio lungo la stessa orbita. Le informazioni acquisite vengono scaricate nelle varie stazioni riceventi a terra distribuite in tutto il mondo. Dal momento che la piattaforma satellitare non è dotata di un sistema di registrazione a bordo, l’area di copertura è assicurata esclusivamente nelle zone di copertura delle stazioni riceventi. Grazie alle stazioni di Kiruna e Sturup (Svezia) e di Villa Grande (Italia) è possibile ottenere una copertura completa dell’Europa. I prodotti attualmente disponibili sono di tre tipi: Scena Standard 1A, Coppia stereo, Scena Sovracampionata.

EROS A1 Altitudine dell'orbita 480 km

Tipo di orbita polare eliosincrona Inclinazione dell'orbita 97.3°

Periodo orbitale 90 min. circa Sensore pancromatico SI Sensore multispettrale NO

Ampiezza della traccia di osservazione 13.5 km al nadir Modalità di acquisizione asincrona Dimensione della scena 169 km2

Risoluzione nominale del pixel a terra in pancromatico 1.8 m al nadir Risoluzione nominale del pixel a terra in multispettrale -

Intervallo spettrale del pancromatico 0.45÷0.90 µm Intervallo spettrale banda 1 - blu -

Intervallo spettrale banda 2 - verde - Intervallo spettrale banda 3 - rosso -

Intervallo spettrale banda 4 – infrarosso vicino - Ampiezza della dinamica 11 bit per pixel Massimo angolo off-nadir 45°

Periodo di rivisitazione al nadir 7 gg Periodo di rivisitazione off-nadir 0°÷15° 5÷6 Periodo di rivisitazione off-nadir > 15° 2.5

Tempo minimo per richiesta acquisizione 24÷48 ore Tempo minimo di risposta dall'ordine 3÷5 gg Tempi di consegna dall'acquisizione 30min÷48 ore

Copertura nuvolosa 20% Stereocoppie SI

Disponibilità modello geometrico del sensore SI, gratuitamente

La Scena Standard 1A è un immagine radiometricamente corretta tramite la calibrazione dei coefficienti dei singoli rilevatori del sensore alla quale non viene applicata alcuna correzione geometrica; viene fornita con il pass-file, contenente informazioni sulla posizione e l’assetto del satellite durante la presa e può essere trasformata in Scena Standard 1B (geometricamente corretta proiettandola sull’ellissoide WGS84) tramite il software Camera model messo gratuitamente a disposizione sul sito web della Image Sat International; la georeferenziazione ha una precisione di diverse centinaia di metri (1 σ). La Coppia stereo è costituita da due Scene Standard 1A della stessa zona, prese da due diversi punti di vista durante lo stesso passaggio sull’orbita e ricoprentesi per il 90%; può essere utilizzata per l’estrazione del DEM. La Scena Oversampled è un immagine radiometricamente corretta analoga alla Scena Standard 1A ma avente risoluzione notevolmente superiore (1 m anziché 1.8 m).

Figura 8 - Stazioni riceventi di EROS A1 in Europa

I prezzi relativi ad ogni prodotto sono riportati nella Tabella 9. Metodologie di ortorettificazione: funzioni polinomiali razionali e modelli rigorosi La maggior parte dei software commerciali idonei all’elaborazione di immagini satellitari ad alta risoluzione (vedi siti web in Bibliografia) consente la loro ortorettificazione secondo due strategie: quella basata sulle funzioni polinomiali razionali (Rational Polynomial Function - RPF) e quella rigorosa (Radhadevi et al., 1994; Radhadevi et al., 1998; Cheng, Toutin, 2001). Con le RPF la trasformazione tra coordinate immagine e coordinate terreno viene descritta tramite una relazione funzionale di tipo matematico che non tiene conto del processo fisico-geometrico di generazione dell’immagine. Tale modello è una versione generale del modello polinomiale dove la

trasformazione tra le coordinate immagine e le coordinate terreno viene espressa tramite il rapporto di due funzioni polinomiali.

Prodotto Modalità Risoluzione (m) Descrizione Prezzo base

(per km2)

Ordine minimo(km2)

Standard 1A Pan 1.8 Radiometricamente corretta € 8.50 -

Standard 1A (Archivio) Pan 1.8 Radiometricamente

corretta € 4.50 5

Coppia Stereo Pan 1.8 Radiometricamente corretta € 8.50 -

Coppia Stereo (Archivio) Pan 1.8 Radiometricamente

corretta € 4.50 5

Oversample Pan 1 Radiometricamente corretta € 36.50 -

Oversample (Archivio) Pan 1 Radiometricamente

corretta € 4.50 5

Tabella 9 - Prezzi dei prodotti EROS A1 (aggiornati al 16 maggio 2003)

In particolare, nelle RPF le coordinate immagine dei punti (i, j) vengono espresse come rapporti tra polinomi contenenti le coordinate a terra (X,Y,Z):

Z)Y,(X,PZ)Y,(X,P

=i2

1 [1]

Z)Y,(X,PZ)Y,(X,P

=j4

3 [2]

L’ordine delle RPF è generalmente minore o uguale a 3, in quanto un ordine superiore non migliora sostanzialmente i risultati e richiede un numero molto elevato (maggiore di 39) di punti di appoggio (GCP). In generale, i termini di primo ordine modellizzano il sistema ottico di proiezione, i termini del secondo ordine tengono conto della curvatura terrestre, della rifrazione atmosferica e della distorsione delle lenti, mentre bias non modellizzati vengono inclusi nei termini di terzo ordine. Dal punto di vista analitico la forma dei polinomi di terzo grado è espressa da una relazione del tipo:

319

318

317

216

215

214

213

212

21110

29

28

276543210

kjim1

0i

m2

0j

m3

0Kijk

XaYaZaYXaZXaXYaZYaXZaYZaZYXa

XaYaZaYXaZXaZYaXaYaZaaZYXaP

+++++++++++

+++++++++== ∑∑ ∑= = = [3]

dove aijk rappresentano i 20 coefficienti RPF della funzione polinomiale. Sostituendo nelle equazioni [1] e [2] le funzioni polinomiali [3] ed eliminando il primo coefficiente al denominatore, le RPF diventano:

T 19 112 1

32

T 19 112 10

32

)...b....bbb )(1Y...XY...Z X (1)...a....aaa )(aY...XY...Z X (1

=i [4]

T 19 112 1

32

T 19 112 10

32

)...d....ddd )(1Y...XY...Z X (1)...c....ccc )(cY...XY...Z X (1

=j [5]

dove compaiono 39 coefficienti, di cui 20 al numeratore e 19 al denominatore. Tali coefficienti possono essere stimati metodi a minimi quadrati conoscendo almeno 39 GCP (in pratica almeno 50 in modo da avere sufficiente ridondanza). La metodologia basata sulle RPF è pertanto puramente analitica e non essendo riferita ad un particolare tipo di sensore/piattaforma, risulta applicabile in maniera generalizzata; tuttavia presenta due fondamentali svantaggi: • richiede un numero molto elevato di GCP • non è robusta rispetto ad eventuali outlier, che difficilmente vengono individuati e, viceversa,

spesso inficiano notevolmente la procedura di ortorettificazione. L’approccio rigoroso è sostanzialmente fotogrammetrico (equazioni di collinearità) (Westin, 1990) e tiene conto della posizione e dell’assetto del satellite, del modello del sensore, della morfologia del terreno tramite un DEM e della eventuale trasformazione cartografica, se le coordinate terreno sono fornite in coordinate cartografiche. In genere i software commerciali utilizzano il modello rigoroso di Toutin (vedi sito web del Canada Center for Remote Sensing), originariamente sviluppato per SPOT e poi provato anche su Landsat, idoneo per tutti i satelliti con modalità di acquisizione sincrona (IKONOS II, QuickBird, SPOT 5); è bene quindi sottolineare che tale modello non è attualmente applicabile alla ortorettificazione delle immagini acquisite dal satellite EROS A1, che può essere effettuata solo tramite le RPF. Esempio di utilizzo delle immagini IKONOS II: l’ortofotocarta di Tangeri (Marocco) La realizzazione dell’ortofotocarta di Tangeri alla scala di 1:10000 ha costituito il primo esempio di impiego di immagini satellitari ad alta risoluzione per scopi cartografici in ambito nazionale (Baiocchi et al., 2001a; Baiocchi et al., 2001b) ed è condotta a partire dall’autunno 2000, contemporaneamente alla ricerca organizzata dall’OEEPE (Holland et al., 2002), sebbene del tutto indipendentemente da essa. Tale ortofotocarta è stata prodotta nell’ambito di un progetto di cooperazione internazionale Italia-Marocco volto alla implementazione di un sistema informativo geografico per scopi demografico-sanitari per la città di Tangeri (estensione di circa 7×9 km). La realizzazione si è basata sull’impiego di un’immagine IKONOS II (nel 2000 era l’unico sensore disponibile) di tipo Carterra Geo (risoluzione nominale di 1 m, angolo off-nadir di 29.18°), e sul software PCI OrthoEngine v.8.1. Ortorettificazione Per ortorettificare le immagini IKONOS II in ambiente PCI OrthoEngine è necessario disporre dell'immagine grezza, di un DEM a scala adeguata (Koebl, 2001) e di alcuni punti di appoggio a terra (GCP). Il DEM utilizzato è stato ricavato da una precedente cartografia in scala 1:10000 mediante vettorializzazione semiautomatica delle curve di livello; nella zona della Medina (centro storico), particolarmente accidentata, è stato necessario rilevare alcuni punti con il GPS (e correggere le quote ellissoidiche con l’ondulazione del geoide fornita dal modello GeoMed dell’International Geoid Service) per integrare il DEM, in quanto le curve di livello non risultavano identificabili. I punti di appoggio sono stati determinati mediante rilievi GPS con ricevitori monofrequenza (basi inferiori a 10 km) e sessioni della durata di 45 minuti, eseguendo le consuete elaborazioni alle differenze doppie di fase rispetto ad una stazione permanente appositamente installata nel centro di Tangeri ed inquadrata nella rete IGS. Sono stati acquisiti 39 punti, 21 dei

quali sono stati occupati due volte ad alcuni giorni di distanza per verificare la ripetibilità delle misure: la media quadratica degli scarti dei punti rilevati due volte è risultata pari a 0.32 m, del tutto idoneo se comparato alla risoluzione nominale dell’immagine ed all’errore di graficismo alla scala dell’ortofotocarta (2 m). L'inserimento di questi dati nel software non ha mostrato rilevanti problematiche: i DEM vengono interpolati dal software a partire da primitive vettoriali quali curve di livello, punti sparsi e altri elementi nei formati CAD e GIS più diffusi; i punti di appoggio possono invece essere inseriti manualmente o, ancora una volta, attraverso file vettoriali. È comunque necessario collimare manualmente le posizioni dei singoli punti sull'immagine: tale operazione, che può essere effettuata con la precisione di mezzo pixel, ha richiesto circa 3 ore ad utenti non esperti. Una volta inseriti i dati, la fase di ortorettificazione vera e propria è completamente automatica ed ha richiesto qualche decina di minuti anche su PC non aggiornatissimi (Pentium II 350, 64 MB-RAM). Verifica della georeferenziazione e della correttezza geometrica dell'immagine ortorettificata Il confronto tra la cartografia vettorializzata e l’immagine ortorettificata ha evidenziato vistosi scostamenti che non presentavano però un significativo sistematismo imputabile ad una errata georeferenziazione: in alcune zone si verificava una soddisfacente coincidenza (ad esempio sulla linea di costa ed in particolare sui moli del porto), in altre zone gli scostamenti raggiungevano valori superiori ai 20 m, del tutto incompatibili con l’errore di graficismo. Tali scostamenti non sembravano imputabili ad errori del DEM, in quanto si riscontravano in zone non particolarmente accidentate. Si è deciso pertanto di procedere ad una nuova campagna di rilievi onde poter verificare le cause di tali scostamenti e, nel contempo, per verificare sia dal punto di vista delle georeferenziazione che da quello della correttezza geometrica l’immagine ortorettificata. Sono stati eseguiti alcuni rilievi GPS statici puntuali su alcuni particolari per i quali gli scostamenti sembravano particolarmente marcati (circa 10 punti) e, successivamente, sono stati compiuti dei controlli estensivi, mediante rilievi GPS cinematico, percorrendo le strade principali della città su un veicolo fuoristrada la cui altezza da terra permetteva una migliore visibilità dei satelliti. Tali rilievi GPS hanno generalmente mostrato un miglior accordo con l’immagine ortorettificata piuttosto che con la cartografia esistente, scostandosi dalla prima di valori compatibili con l’errore di graficismo. Contemporaneamente sono stati eseguiti alcuni rilievi mediante distanziometro ad impulsi per verificare le dimensioni di alcuni elementi geometrici (sono state controllate principalmente le larghezze di alcune strade); anche tali rilievi hanno fornito esito positivo nell’ambito dell’errore di graficismo. Un’ulteriore verifica è stata effettuata in corrispondenza di due punti trigonometrici della rete nazionale marocchina, materializzati in corrispondenza degli assi di due campanili, ben individuabili sull’immagine ortorettificata e di cui erano disponibili le monografie: anche in questo caso gli scostamenti sono risultati inferiori all’errore di graficismo. Complessivamente, pertanto, l’immagine ortorettificata è risultata corretta sia dal punto di vista della georeferenziazione che da quello geometrico e gli scostamenti con la cartografia esistente sono probabilmente ad errori presenti in quest’ultima. Layout dell’ortofotocarta I controlli precedenti hanno mostrato che l’immagine ortorettificata presenta precisioni compatibili con quelle della cartografia in scala 1:10000. A partire da essa si è quindi prodotta l’ortofotocarta, corredandola con le indicazioni fondamentali riguardanti le coordinate nei vari datum e sistemi di coordinate di interesse ed i punti quotati ed altre indicazioni accessorie poste a margine; come per altri prodotti analoghi (ad esempio, la Spaziocarta del Centro Informazioni Geotopografiche Aeronautiche - CIGA), l’orografia e l’interpretazione dei particolari è rimandata alla cartografia originale. Per quanto riguarda il taglio della carta, si è deciso di mantenere quello della cartografia originale (taglio cartografico, proiezione conica conforme di Lambert, datum Clarke 1880 Merckich), sia per

rendere più facile il confronto con la cartografia esistente, sia per utilizzare completamente il DEM ricavato da essa. La versione definitiva dell’ortofotocarta (Figura 10), è stata quindi tagliata secondo il reticolo cartografico nazionale; rispetto a questo sistema di coordinate sono state tracciate croci bianche all’interno dell’immagine in corrispondenza degli incroci del reticolato kilometrico, ed i valori delle coordinate corrispondenti ai singoli incroci sono riportati in nero sul bordo della carta. Nei quattro vertici dell’immagine sono riportati i valori delle coordinate geografiche rispetto al datum Merckich (in nero) e rispetto al datum WGS84 (in magenta nell’originale, in grigio nella Figura 10). E’ stato inoltre tracciato interamente il reticolato cartografico UTM-WGS84 fuso 30 (anche in questo caso in magenta nell’originale, in grigio nella Figura 10) ed i valori corrispondenti sono riportati sul bordo della carta.

Figura 10 – Stralcio della versione definitiva dell’ortofotocarta di Tangeri Conclusioni Sulla base di quanto esposto si può affermare che le immagini satellitari ad alta risoluzione possono fornire un contributo significativo (e talvolta decisivo, soprattutto in condizioni logistiche difficili) per la produzione e l’aggiornamento di cartografia a media scala.

Tuttavia permangono ancora alcuni problemi che si auspica vengano risolti in un prossimo futuro affinché il mercato delle immagini satellitari ad alta risoluzione possa ampliarsi: • la difficoltà e la lentezza della procedura di rilascio delle immagini (fa eccezione il satellite

EROS per il quale una stazione ricevente è proprio collocata in Italia e gestita da una Società italiana)

• il costo ed i limiti minimi sulle estensioni da acquistare • l’indisponibilità di un modello rigoroso per il satellite EROS, che allo stato attuale appare molto

interessante sia per il limitato costo delle immagini e per la rapidità di rilascio, sia per la futura costellazione, che potrà garantire tempi di rivisitazione giornalieri ovunque

• l’indisponibilità delle stereocoppie acquisite dal satellite QuickBird, che potrebbero permettere l’estrazione di DEM di medio-alta precisione (metrica)

Bibliografia Siti web delle Società proprietarie dei satelliti ad alta risoluzione: • IKONOS II – www.spaceimaging.com • QuickBird - www.digitalglobe.com • SPOT5 – www.spotimage.fr • EROS – www.imagesatintl.com Siti web di enti ed organizzazioni con web-links e biblioteche (Proceedings ed articoli) on-line: OEEPE – www.oeepe.org ISPRS – www.isprs.org ASPRS – www.asprs.org Canada Center for Remote Sensing – www.ccrs.nrcan.gc.ca Siti web delle Società produttrici di software per l’elaborazione di immagini ad alta risoluzione: • PCI Geomatics – www.pcigeomatics.com • Leica Geosystems - www.leica-geosystems.com • Envi - www.rsinc.com/envi • Z/I - ww2.ziimaging.com Pubblicazioni: Baiocchi V., Barbani M., Bianchini R., Crespi M., Maimone F. (2001a), “Aggiornamento di cartografia tecnica urbana in paesi in via di sviluppo mediante immagini IKONOS: il caso di Tangeri (Marocco)”, Atti 5° convegno ASITA, Rimini 9 -12 ottobre 2001, 117-124 Baiocchi V., Bianchini R., Crespi M., Maimone F. (2001b), “Employing high resolution satellite images to update urban maps at medium-large scale and their impact on developing countries”, Proceedings IEEE/ISPRS joint Workshops on Remote Sensing and Data Fusion over Urban Areas, Rome, November, 8-9th, 2001, 342-345 Cheng P., Toutin T. (2001). “Orthorectification and DEM Generation from High Resolution Satellite Data”, Asian Conference on Remote Sensing, Singapore, 5 – 9 November 2001 Holland D., Guilford B, Murray K. (2002), Oeepe-Project on Topographic Mapping from High Resolution Space Sensors, OEEPE, Official Publication n. 44 Jacobsen K. (2002), “Geometric Aspects of the Handling of Space Images”, Pecora 15/Land Satellite Information IV/ISPRS CommissionI/FIEOS 2002 Conference Koebl O. (ed.), (2001), “Technical Specifications for the Elaboration of Digital Elevation Models”, Intesa Stato-Regioni-Enti locali per la realizzazione dei sistemi informative geografici Radhadevi P.V., Sasikumar T.P., Ramachandran R. (1994), “Orbit attitude modeling and derivation of ground co-ordinates from SPOT stereopairs”, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 4: 22-28

Radhadevi P.V., Ramachandran R., Murali Mohan A.S.R.K.V. (1998), “Restitution of IRS-1C PAN data using an orbit attitude model and minimum control”, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 262-271 Vassilopoulou S., Hurni L., Dietrich V., Baltsavias E., Pateraki M., Lagios E., Parcharidis I. (2002), “Ortophoto generation using IKONOS imagery and high-resolution DEM: a case study on volcanic hazard monitoring of Nisyros Island (Greece)”, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 24-38 Westin T. (1990), “Precision Rectification of SPOT Imagery”, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2: 247-253