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Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del MareDirezione Generale per la Difesa del Suolo

In collaborazione tecnica con

Fornitura di Dati, Sistemi e Servizi per la Realizzazione del Sistema Informativo del Piano

Straordinario di Telerilevamento Ambientale (PST-A) – Lotto 2

CORSO DI FORMAZIONE

Dall’ottico al radar

Piano Straordinario Telerilevamento Ambientale – Lotto 2

In collaborazione tecnica conIn collaborazione tecnica con

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RE

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Piano Straordinario Telerilevamento Ambientale – Lotto 2 Corso di Formazione


Sommario

• I vantaggi del telerilevamento satellitare

• Il telerilevamento satellitare ottico e multi-spettrale

• Il telerilevamento radar: vantaggi e svantaggi rispetto all’ottico

• Le immagini SAR

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Il Telerilevamento

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� La scienza di ottenere informazioni sulla superficie terrestre attraverso

dati acquisiti da satellite

� La superficie terrestre emana e riflette energia elettromagnetica

fornendo informazioni sulle sue proprietà fisiche chimiche e biologiche



I vantaggi del telerilevamento satellitare

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� Visione sinottica del territorio

� Osservazione ripetuta della terra

� Aggiornata disponibilità dei dati

Le immagini satellitari

� Meteorologia

� Desertificazione

� Deforestazione

� Frane

� Alluvioni

� Terremoti

� Etc.

Applicazioni



Lo spettro elettromagnetico

Insieme continuo delle onde elettromagnetiche ordinate secondo la lunghezza d’onda

I satelliti acquisiscono il segnale a diverse lunghezze d’onda secondo le loro

caratteristiche spettrali e spaziali

OTTICO

RADARINFRAROSSO



La risoluzione del dato

• Risoluzione spaziale

• Risoluzione temporale : tempo di rivisitazione• Risoluzione spettrale: larghezza di banda

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Analisi a diverse scale di interesse: Regionale, Provinciale, di Bacino

SATELLITE Risoluzione spettrale Risoluzione Temporale Risoluzione spaziale

OTTICO

GEOEYE-1 Visibile e NIR <3 giorni 0.41x0.41 m

IKONOS Visibile e NIR 3 giorni 0.82 x 3.2 m

AVHRR (NOAA) Visibile e NIR e Termico 6 ore 1.1 x 1.1 km

RADAR

COSMO-SKYMED Microonde (banda X) 16 gg 1x1 m

ENVISAT Microonde (banda C) 35 gg 5x20m

ALOS Microonde (banda L) 46 gg 7m



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I vantaggi del telerilevamento satellitare:• Analisi di cambiamenti su vaste aree



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Vantaggi dei sistemi ottici e NIR

IKONOS risoluzione 1 m

1 – alta risoluzione spaziale 2 – interpretazione naturale delle immagini



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Elevazione da coppie stereo

h

H

x1

x2

x x’

B

P(x,h)P(x’,h)

xx’

• ~10 m dove ci sono elementi ben identificabili sulle immagini

• Molto peggio su aree uniformi



ASTER

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• Immagine ASTER del confine USA-Messico in California

• Immagine ASTER del confine USA-Messico in California (24x30 km) ripresa il 19 Maggio 2000.

• La combinazione di bande nel visibile e nel vicino infrarosso mette in evidenza (rosso) la vegetazione e la netta differenza di uso del suolo nei due Paesi attraversati dal fiume Colorado.



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Limiti dei sistemi ottici e NIR

1 - Dove ci sono le nuvole… non funziona

2 – Di notte non si ha informazione se non nel lontano infrarosso (termico)

3 – Non sono in grado di evidenziare piccoli cambiamenti/deformazioni

4 – La stereometria ottica produce DEM di scarsa qualità su aree uniformi



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Il telerilevamento radar

• Vantaggi rispetto all’ottico

1. È un sistema attivo: non ha bisogno di

sorgenti esterne come il Sole

2. Opera alla frequenza delle micro-onde che penetrano attraverso nuvole e

pioggia

3. È un sistema coerente: consente misure

molto precise di variazioni di distanza dal

radar per mezzo dell’interferometria



Il principio di funzionamento del radar per immagini

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immagine delle eco radar

posizi

one del ra

dar

(azi

muth

)

distanza dal radar(slant range)

oggetti a terra

eco radar

traiet

toria

della

piatt

aform

a

HR

min

Rmax

ground range ©T

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Hθ

r

∆∆∆∆r: risoluzione in slant-range

azimuth

∆∆∆∆a: risoluzione in azimuth

azimuth

sla

nt

ran

ge

∆∆∆∆a

∆∆ ∆∆r

Immagine radar

L’immagine radar è formata da una matrice di pixel.Ogni pixel è associato ad una cella di risoluzione.

La cella di risoluzione

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SAR: Synthetic Aperture Radar

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1. La risoluzione in azimuth è tanto migliore quanto più grande è l’antenna del radar

2. Per avere una risoluzione di qualche metro da radar satellitari occorrerebbe un’antenna lunga alcuni km

3. Si utilizza un’antenna fisica lunga qualche metro e si sintetizza a

calcolatore l’antenna chilometrica combinando centinaia di eco radar riprese da diverse posizioni lungo l’orbita del radar (tecnica radar ad apertura sintetica)

Antenna sintetica (SAR)

azimuth

sla

nt

ran

ge

Antenna fisica

azimuth

sla

nt

ran

ge

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L’immagine SAR (ampiezza)

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• Ogni pixel dell’immagine SAR contiene la somma delle eco riflesse verso il radar da tutti gli oggetti presenti nella cella di risoluzione.

• L’intensità del segnale ricevuto dal radar dipende dal tipo di oggetti presenti nella cella di risoluzione.

• Tipicamente, aree urbane o rocciose sono caratterizzate da alta intensità(pixel bianchi), superfici vegetate mostrano media intensità (pixel grigi), mentre superfici lisce (ad es. bacini d’acqua calma) mostrano bassa intensità (pixel neri).

RCS: Radar Cross-Section

2000 m2

20 m2

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Eliminazione del rumore di speckle

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Singola immagine SAR.

Somma dell’intensità di 10 immagini SAR riprese a tempi e angoli di vista diversi.

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Confronto SAR multi-immagine/ottico

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OTTICO

SAR multi-immagine

La riflettività SAR (ampiezza del ritorno radar) non è influenzata dall’illuminazione solare e/o dalle condizioni meteo.

I sensori SAR satellitari attualmente disponibili possono rilevare una sola frequenza. Per questo motivo l’immagine è visualizzata mediante una scala di grigi.

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L’immagine SAR (fase)

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• Il segnale trasmesso dal radar deve raggiungere l’oggetto a terra e quindi tornare indietro fino al radar.

• Oggetti a diversa distanza dal radar introducono un diverso ritardo tra la trasmissione e la ricezione del segnale (tempo di volo).

• Il segnale radar può essere assimilato ad una sinusoide con lunghezza d’onda λ.

• Il tempo di volo fa sì che la fase del segnale ricevuto sia diversa dalla fase del segnale trasmesso.

R

λR

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Ampiezza Immagine Ottica

L’immagine SAR

Fase (NOTA in MODULO 2π)π)π)π)

La fase di un segnale radar è correlata alla distanza sensore-bersaglio.

Un’immagine SAR è una matrice di pixel caratterizzata dai valori di ampiezza e

di fase:

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λ

r

φ

∆R

R∆=∆λ

πφ

2R

λ

πφ

4=∆

RR 2=∆

Fase di una sinusoideLa fase interferometrica

è proporzionale

alle variazioni di cammino

dell’onda elettromagnetica

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Interferometria SAR e Tecnica PSInSAR™

• Obiettivo delle tecniche interferometriche e della Tecnica PSInSAR™ è quello di misurare da remoto gli spostamenti del terreno utilizzando il segnale di fase delle immagini SAR.

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RomaRoma

-5-5

+5+5

[mm/yr][mm/yr]

Interferogramma del terremoto di Landers (a N-E di Los Angeles) del 1992

Analisi PSInSAR™ – Roma 1992-2000 ©T

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