1. 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 Lecce
Email : marco.palazzo@unile.it; letizia.sabetta@isufi.unile.it
(**) Università di Lecce – Dipartimento di Scienze e Tecnologie Biologiche ed Ambientali - Email : nicola.zaccarelli@unile.it;
giorizzo@libero.it
(***) Università degli studi di Lecce – Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione - Email : lorenzo.vasanelli@ime.le.cnr.it
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

2. Contenuti del documento
• Obiettivi
• Test Site
• Dati Disponibili
• Generazione dell’ortoimmagine
• Risultati e Conclusioni
• Sviluppi Futuri
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

3. 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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

4. 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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

5. Contenuti del documento
• Obiettivi
• Test Site
• Dati Disponibili
• Generazione dell’ortoimmagine
• Risultati e Conclusioni
• Sviluppi Futuri
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

6. 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.
Sez. 512020, denominata “SURBO” ,
nella Cartografia Tecnica Provinciale Numerica della
Provincia di Lecce
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

7. Contenuti del documento
• Obiettivi
• Test Site
• Dati Disponibili
• Generazione dell’ortoimmagine
• Risultati e Conclusioni
• Sviluppi Futuri
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

8. Cartografia & DTM
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
•
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

9. Immagine Ikonos : Geometria
•
Dal punto di vista geometrico, l’immagine Ikonos è
acquisita dallo scanner in prospettiva centrale
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
Per essere fruibili dal punto di vista applicativo le
immagini Ikonos devono essere ortorettificate
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

10. Caratteristiche dei prodotti Ikonos
Trade Name
Geo
V.A.
mediante
ortorettifica
RMS
24 m
Reference
-
12 m
Pro
5m
Precision
2m
Prec. Plus
Geo
Ortho Kit
1m
+
Prezzo
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)
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

11. Specifiche tecniche dell’immagine Ikonos disponibile
Nominal Collection Azimuth
30.85
Processing Level
GEO
Nominal Collection Elevation
76.55
Datum
WGS84
Sun Elevation Angle
67.55
Map Projection
UTM
33N
Sensor Azimuth and Elevation (Dial & Grodecki,2001, http://www.imagingnotes.com/sepoct01/eoq.htm)
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

12. Contenuti del documento
• Obiettivi
• Test Site
• Dati Disponibili
• Generazione dell’ortoimmagine
• Risultati
• Sviluppi Futuri
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

13. Il Modello di Proiezione Centrale
y = c +λ R x
[1]
x = (1/λ) RT (y-c)
[2]
PC≡[X0(t) Y0(t) Z0(t)]
centro di proiezione istantaneo
λ
fattore di scala
Modello di Proiezione Centrale (Jones,2002, http://www.sli.unimelb.edu.au/nicole)
Per una rigorosa ortocorrezione sono
necessari i dati orbitali del satellite e i
parametri della camera del sensore
R=rij=fij(t)
matrice ortogonale di rotazione
istantanea relativa del sistema
coordinate sensore rispetto al
sistema di coordinate oggetto
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

14. Le Equazioni di Collinearità
La relazione vettoriale x = (1/λ) 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
r11 ( X − X 0 ) + r21 (Y − Y0 ) + r31 ( Z − Z 0 )
x=−f
r13 ( X − X 0 ) + r23 (Y − Y0 ) + r33 ( Z − Z 0 )
r12 ( X − X 0 ) + r22 (Y − Y0 ) + r32 ( Z − Z 0 )
y=−f
r13 ( X − X 0 ) + r23 (Y − Y0 ) + r33 ( Z − Z 0 )
• 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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

15. Direct Linear Transform
•
Si tratta di un modello proiettivo che assumendo costanti i
parametri orbitali durante la scansione della scena,
riparametrizza l’orientamento del sensore
r ( X − X 0 ) + r21 (Y − Y0 ) + r31 ( Z − Z 0 )
x = − f 11
r13 ( X − X 0 ) + r23 (Y − Y0 ) + r33 ( Z − Z 0 )
L1 X + L2Y + L3 Z + L4
x=
L9 X + L10Y + L11 Z + 1
r ( X − X 0 ) + r22 (Y − Y0 ) + r32 ( Z − Z 0 )
y = − f 12
r13 ( X − X 0 ) + r23 (Y − Y0 ) + r33 ( Z − Z 0 )
L5 X + L6Y + L7 Z + L8
y=
L9 X + L10Y + L11 Z + 1
•
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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

16. 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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

17. Affine Transform
x=−f
y=−f
r11 ( X − X 0 ) + r21 (Y − Y0 ) + r31 ( Z − Z 0 )
r13 ( X − X 0 ) + r23 (Y − Y0 ) + r33 ( Z − Z 0 )
r12 ( X − X 0 ) + r22 (Y − Y0 ) + r32 ( Z − Z 0 )
r13 ( X − X 0 ) + r23 (Y − Y0 ) + r33 ( Z − Z 0 )
Proiezione
parallela
0 = r11 ( X − X 0i ) + r21 (Y − Y0i ) + r31 ( Z − Z 0i )
y = r12 ( X − X 0i ) + r22 (Y − Y0i ) + r32 ( Z − Z 0i )
x
y
i
Movimento
lineare del
sensore
X 0i = X 0 + ∆X i
Y0i = Y0 + ∆Y i
Z 0 i = Z 0 + ∆Z i
x = L1 X + L2Y + L3 Z + L4
y = L5 X + L6Y + L7 Z + L8
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

18. Riconoscimento dei GCP
•
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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

19. Riconoscimento dei GCP
Cartografia Tecnica Provinciale
Ikonos Pan dopo filtraggio passa-alto
Ikonos PAN
Filtraggio passa-alto + Miglioramento contrasto
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

20. Distribuzione dei GCPs sulla scena
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

21. Contenuti del documento
• Obiettivi
• Test Site
• Dati Disponibili
• Generazione dell’ortoimmagine
• Risultati
• Sviluppi Futuri
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

22. 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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

23. Risultati : Relazione tra RMS e distribuzione di GCP
•
Il risultato dei test mostra chiaramente come la
distribuzione dei GCPs usati per l’ortorettifica influenzi
sensibilmente l’accuratezza.
DLT
D16/20
1.7 / 1.5 m.
D26/20
2.4 / 3.7 m.
D36/20
45.9 / 3.4 m.
RMS [m]
RMS DLT/AFF
AFFINE
50
40
30
20
10
0
D1
D2
D3
D4
D5
Identificativo Distribuzione di GCP
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

24. Risultati : Relazione tra RMS e n.ro di GCP
•
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
DLT
AFFINE
RMS [m]
1,9
1,7
1,5
1,3
4
6
8
10 12 14
Numero di GCP
16
18
20
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

25. 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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

26. Risultati : Ortoimmagini
Sovrapposizione della
cartografia all’immagine
ortocorretta con modello DLT
Sovrapposizione della cartografia
all’immagine ortocorretta con
modello AFFINE
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

27. Conclusioni
•
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.
•
Cartografia tecnica di dettaglio in scala 1:10000
•
Censimento del verde pubblico
•
•
•
Identificazione di siti degradati e contaminati
Aggiornamento del grafo stradale
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

28. 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
•
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
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

29. Conclusioni
•
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.
•
I metodi testati ed i risultati ottenuti possono essere
estesi per la ortorettifica dei dati Quick Bird Standard
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

30. Contenuti del documento
• Obiettivi
• Test Site
• Dati Disponibili
• Generazione dell’ortoimmagine
• Risultati
• Sviluppi Futuri
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

31. OrthoTool
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

32. OrthoTool
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE

33. OrthoTool
Space Systems on Earth Observation – Applications of Remote Sensing From Space – I.S.U.F.I. UNILE