Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE
6a Conferenza Nazionale A.S.I.T.A., Perugia, 5 Novembre 2002
Aggiornamento di cartografia tecnica in scala 1:10000 mediante immagini satellitari
pancromatiche ad alta risoluzione: un’applicazione al comune di Surbo nella
penisola salentina
Marco palazzo (*), Nicola Zaccarelli (**), Giovanni rizzo (**), Letizia Sabetta (*),
Lorenzo Vasanelli (***)
(*) I.S.U.F.I. – Area Materiali &Tecnologie Innovative – Università degli Studi di LecceEmail : [email protected]; [email protected]
(**) Università di Lecce – Dipartimento di Scienze e Tecnologie Biologiche ed Ambientali - Email : [email protected]; [email protected]
(***) Università degli studi di Lecce – Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione - Email : [email protected]
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Obiettivi Generali
Verificare l’impiego dei dati telerilevati ad alta risoluzione ad integrazione / sostituzione dei dati tradizionali (aerofotogrammetria)
Stimolare l’impiego dei dati telerilevati ad alta risoluzione nei processi informativi delle Pubbliche Amministrazioni Locali (P.A.L.)
Vigilanza sull’attività urbanistico – edilizia
Ausilio alla redazione e gestione del PRG e delle sue varianti
Tutela dell’ambiente e delle risorse del territorio
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Obiettivi Specifici
Verificare l’impiego delle immagini Ikonos-2 Pan per la restituzione cartografica in scala 1:10000 di aree urbane, di piccole dimensioni, localizzate su terreni orograficamente poco marcati e poco movimentati
Confrontare le prestazioni, in termini di accuratezza di posizionamento planimetrico, di due popolari modelli di ortocorrezione proposti in letteratura :
- il modello DLT
- il modello AFFINE
Valutare l’influenza sull’accuratezza di posizionamento planimetrico della distribuzione e della numerosità dei GCP usati per modellare la trasformazione tra spazio oggetto e spazio immagine
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Il Comune di Surbo nella Penisola Salentina
L’area di studio copre la maggior parte del territorio del comune di Surbo, scelto come destinatario ottimale di questo lavoro in quanto rappresentativo per dimensioni e caratteristiche di molte P.A.L. della Penisola Salentina
Sup. 20,34 Kmq.
Altitudine del centro 40 m.
Dislivello max. tra le quote terreno 60 m.
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Sez. 512020, denominata “SURBO” ,nella Cartografia Tecnica Provinciale Numerica della
Provincia di Lecce
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Cartografia & DTM
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Non disponendo di adeguata strumentazione GPS, per tutte le “misure a terra” necessarie si è fatto riferimento alla Sez. 512020 della Cartografia Tecnica Provinciale Numerica, in scala nominale 1:10000 (*) , realizzata nel 1997 mediante restituzione aerofotogrammetrica, su commissione delle Provincia di Lecce
Sistema di riferimento ED50 Gauss-Boaga Fuso Est
Le quote terreno necessarie per l’ortorettifica sono state rilevate da un DTM in formato ASCII (E,N,quota) realizzato con griglia regolare di 40 m
Sistema di riferimento ED50 Gauss-Boaga Fuso Est
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Immagine Ikonos : Geometria
Se l’acquisizione non è nadirale, le deformazioni dovute all’orografia portano a spostamenti dei pixel normalmente non accettabili, per le applicazioni di interesse su scala urbana.
Fig. - Spostamento dei pixel, dovuto all’orografia, in un’immagine acquisita in
prospettiva centrale
Dal punto di vista geometrico, l’immagine Ikonos è acquisita dallo scanner in prospettiva centrale
Per essere fruibili dal punto di vista applicativo le immagini Ikonos devono essere ortorettificate
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Il prodotto Geo è “un prodotto geometricamente corretto che è stato rettificato rispetto ad un ellissoide e ad una proiezione di mappa pre - specificati” (SI, 2001)
Caratteristiche dei prodotti Ikonos
Trade Name RMS
Geo 24 m
Pro 5 m
Precision 2 m
Prec. Plus 1 m
Reference 12 m
Prezzo+
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Geo
Ortho Kit
V.A. mediante
ortorettifica
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Nominal Collection Azimuth 30.85 Processing Level GEO
Nominal Collection Elevation 76.55 Datum WGS84
Sun Elevation Angle 67.55 Map Projection UTM 33N
Specifiche tecniche dell’immagine Ikonos disponibile
Sensor Azimuth and Elevation (Dial & Grodecki,2001, http://www.imagingnotes.com/sepoct01/eoq.htm)
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Il Modello di Proiezione Centrale
Modello di Proiezione Centrale (Jones,2002, http://www.sli.unimelb.edu.au/nicole)
y = c + R x [1]
x = (1/RT (y-c) [2]
PC[X0(t) Y0(t) Z0(t)]
centro di proiezione istantaneo
fattore di scala
R=rij=fij(t)
matrice ortogonale di rotazione istantanea relativa del sistema coordinate sensore rispetto al sistema di coordinate oggetto
Per una rigorosa ortocorrezione sono necessari i dati orbitali del satellite e i parametri della camera del sensore
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Le Equazioni di Collinearità
)()()(
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033023013
032022012
ZZrYYrXXr
ZZrYYrXXrfy
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033023013
031021011
ZZrYYrXXr
ZZrYYrXXrfx
La relazione vettoriale x = (1/RT (y-c) tra le coordinate di mappa (X,Y,Z) di un punto dello spazio oggetto e le coordinate (x,y,-f) del corrispondente punto dello spazio immagine può essere facilmente ricondotta a due equazioni scalari, meglio note come Equazioni di Collinearità
Le relazioni di collinearità sono state il punto di partenza per lo sviluppo di numerosi modelli di ortorettifica che mostrano un buon livello di indipendenza dalle caratteristiche dell’orbita e del sensore
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Direct Linear Transform
1
1
11109
8765
11109
4321
ZLYLXL
LZLYLXLy
ZLYLXL
LZLYLXLx
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033023013
032022012
ZZrYYrXXr
ZZrYYrXXrfy
)()()(
)()()(
033023013
031021011
ZZrYYrXXr
ZZrYYrXXrfx
Si tratta di un modello proiettivo che assumendo costanti i parametri orbitali durante la scansione della scena, riparametrizza l’orientamento del sensore
Le implicite assunzioni del modello ne limitano la sua applicabilita’ a scene di limitata estensione.
Infatti, aumentando la dimensione della scena non può essere trascurata la tempo-varianza dei coefficienti Li
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Affine Transform
Si tratta di un modello basato sulle seguenti assunzioni
a causa dello strettissimo Instantaneous Field of View (IFOV di 0.93°) di Ikonos l’immagine è acquisita con un sistema di proiezione parallela (invece che centrale) nella direzione di scansione (f=, Ono, 1999)
per scene di limitata estensione, il sensore si muove linearmente nello spazio ed i parametri di orientamento esterno sono tempo invarianti durante l’acquisizione dell’immagine
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Affine Transform
)()()(
)()()(
033023013
032022012
ZZrYYrXXr
ZZrYYrXXrfy
)()()(
)()()(
033023013
031021011
ZZrYYrXXr
ZZrYYrXXrfx
)()()(0 031021011 iii ZZrYYrXXr
)()()( 032022012 iii ZZrYYrXXry
iXXX i 00
iYYY i 00
iZZZ i 00
8765
4321
LZLYLXLy
LZLYLXLx
i y
x
Proiezione parallela Movimento
lineare delsensore
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Riconoscimento dei GCP
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Nel sito di test, avente un’ampiezza di circa 50 Kmq, sono stati individuati 20 GCPs.
I GCPs sono stati scelti tra le intersezioni dei tipici “muretti di campagna a secco” molto diffusi nel paesaggio rurale salentino
Le intersezioni dei muretti sono chiaramente indicate nel layer 00504 della CTPN ed appaiono molto brillanti nell’immagine Ikonos Pan (processata con filtro passa-alto) su cui possono essere riconosciute con l’accuratezza del pixel
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Riconoscimento dei GCP
Cartografia Tecnica Provinciale Ikonos PAN
Ikonos Pan dopo filtraggio passa-alto Filtraggio passa-alto + Miglioramento contrasto
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Distribuzione dei GCPs sulla scena
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Risultati : Relazione tra RMS e distribuzione di GCP
• Allo scopo di valutare l’influenza della distribuzione dei GCPs sull’errore di localizzazione commesso sono state definite 5 diverse distribuzioni di punti
D1
D3
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Risultati : Relazione tra RMS e distribuzione di GCP
01020304050
D1 D2 D3 D4 D5
Identif icativo Distribuzione di GCP
RM
S [m
]
DLT AFFINE
Il risultato dei test mostra chiaramente come la distribuzione dei GCPs usati per l’ortorettifica influenzi sensibilmente l’accuratezza.
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D16/20 1.7 / 1.5 m.
RMS DLT/AFF
D26/20 2.4 / 3.7 m.
D36/20 45.9 / 3.4 m.
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Risultati : Relazione tra RMS e n.ro di GCP
1,3
1,5
1,7
1,9
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Numero di GCP
RM
S [m
]
DLT AFFINE
Il risultato della sperimentazione evidenzia come l’utilizzo nell’ortorettifica di un numero di GCPs superiore a 6, nell’ipotesi di una loro buona distribuzione, non incrementi significativamente l’accuratezza
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Risultati : Errore di posizionamento planimetrico (6 GCPs)
DLT AFFINE
RMS 1.715 m. 1.510 m.
Dev. Standard 1.32 m. 0.95 m.
Ep + Dp 0.4 mmg
0.4 x 10000= 40000 mm. = 4m.
1.715+1.00 4 m.
L’accuratezza ottenuta rientra nelle tolleranze ammissibili per la restituzione cartografica in scala 1:10000
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Risultati : Ortoimmagini
Sovrapposizione della cartografia all’immagine ortocorretta con
modello AFFINE
Sovrapposizione della cartografia all’immagine
ortocorretta con modello DLT
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Conclusioni
Cartografia tecnica di dettaglio in scala 1:10000
Censimento del verde pubblico
Identificazione di siti degradati e contaminati
Aggiornamento del grafo stradale
E’ possibile ottenere un’elevata accuratezza a partire dai prodotti di classe ‘Geo’; i più costosi prodotti di classe Reference, Pro, Precision e Precision Plus non sono necessari per molte applicazioni a scala urbana che richiedono un’accuratezza di posizionamento planimetrica (specialmente relativa) di 1- 3 m.
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Conclusioni
Accuratezza orizzontale sub-metrica può essere ottenuta utilizzando :
DTM con griglia di 20 m.
Strumentazione GPS in grado di acquisire la posizione dei Ground Control Point con precisione decimetrica
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• Localmente, cioè su aree orograficamente poco marcate e poco movimentate, il telerilevamento satellitare ad alta risoluzione può essere usato con successo ad integrazione/sostituzione del tradizionale telerilevamento da aereo
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La scomparsa del “monopolio” dell’alta risoluzione e la politica commerciale estremamente “aggressiva” dei distributori ha determinato una progressiva riduzione del costo dei dati che rende sostenibile un piano di monitoraggio satellitare anche per le piccole P.A.L.
Conclusioni
I metodi testati ed i risultati ottenuti possono essere estesi per la ortorettifica dei dati Quick Bird Standard
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