Elementi di geomatica 8890094370

Table of contents :
Presentazione del Volume
Prefazione dell'Autore
Indice
Lista delle figure
Lista delle tabelle
Lista delle tavole a colori
1 - Geomatica
2 - Elementi di cartografia
3 - Elementi di fotogrammetria
4 - Elementi di telerilevamento
5 - Elementi di informatica
6 - Sistemi di ripresa
7 - Sistemi di posizionamento satellitare
8 - Elaborazione delle immagini digitali
9 - Elementi sui sistemi informatici territoriali
10 - Sistemi per la classificazione della copertura/uso del suolo
11 - Inspire e GMES
Dizionario tecnico
Acronimi
Tavole a colori

Citation preview

a Mady, Ilaria Camilla, Jacopo Andrea e papà Camillo

a Eugenio oltre /'arcobaleno

l Associazio ne ltali ana di Te lerilevamento Federata ASITA Associazio ni Scie ntifiche per le In formazio ni Territoria li e Ambientali www.asita.it/ait

ELEMENTI DI GEOMATICA con elementi di Geodesia e Cartografia, Fotogrammetri a, Teleri levame nto , Informatica, Sistemi di Ripresa, Sistemi di Posiz ionamento Satell itare, Elaborazione Digitale de lle Immagini, S istemi Informati vi Ten-itoria li, Siste mi dj Suppo110 alle Decisio ni , S IT in rete, INS PIRE e GMES, Diz iona ri o Tecnico, Acronimi

Consig lio Naz ionale delle Ricerche Istituto per il Rilevamento Eleuromagnetico dell' A mbiente Sezione di Milano Via Bass ini , 15 20 133 Milano Tel. 02 23699456 - Fax 02 23699300 h llp:// m i Iano.i rea.cnr. it

r Mario A. Gomarasca Cons iglio Naziona le delle Ricerche Istituto per il RilevamenLo Elettromagnetico dell' Ambiente Sezione di Milano Via Bassini, J5 •20 133 Mil ano go marasca. [email protected] • hup://milano .irea.cnr.it

Immagini in copertina:

Figure: 2.1 3 - 3.2 - 3.3 - 3. 13 - 6.32 Tavole: 2. 1 - 4.2 - 6.1 - 4.8 - 6.4 7.1 - 9.3 - 9.5 - 9.8- 10.2

Nella stessa collana:

Mario A. Gomarasca Introduzione a Telerilevamento e GIS per la Gestione delle Risorse Agricole e Ambientali Ed. Associazione Italiana di Telerilevamento (A IT) 246 pp., 33 Tavole a colori. 1• Edizione settembre 1997 2• Ediz ione settembre 2000

Presentazione del Volume

"Geomatica" è un neologismo, sempre più diffuso anche se non ancora univer almente accettato, che incl ude tutte le di scipline del rilevamento territoriale e ambientale, e sottolinea che in esse l' Info rmati ca gioca un ruolo determinante. La Geomatica comprende la Topografia ne lle ue espressioni più moderne (strumentazione e lettronica di misura, tecniche sofi sti cate di analisi dei dati e di compensazione delle reti, tecnic he di po izionamento satell itare, ... ), la Fotogrammetria analitica e digitale, il Te lerilevame nto da sate lli te e da aereo, la Cartogra fia Numerica, i Sistemi Informativi Territoriali. Per affi nità di basi scientifiche e di risultati da perseguire, questi settori specialistici sono in timamente inte rcon nessi: una classificazione rigida, che li presuma distinti e autonomi, non consente di coglierne i molti aspetti comuni ne i quali, invece, va ricercata la soluzione del problema complessivo del ri levamento. D' altra parce, trau are i con tenuti avanzati di LUtte queste di c ipl ine, complesse ed estremamente specialistic he, in un unico testo organico e da parte d i un unico autore "tuttologo", si presenta come un ' impresa ardua, ai limiti dell'impossibile. Se anche si superassero tal i oggetti ve diffi coltà, ne risulterebbe un 'opera enc ic lopedica in parecchi volumi , c he ricalcherebbe nei conte nuti la struttura de i molti testi già disponi bili (e ce ne sono di ottimi) in Italia e all'e tero. L'obietti vo che si è posto Mario A. Gomarasca è, apparentemente, più modesto: produrre un testo di inquadrame nto generale de lle tematiche del rilevamento, che contenga in forma semplice e compren ibile anc he ai non e perti i concetti di base della Geomatica e delle discipline che la compongono, e descri vendo al contempo, in modo ri goroso ma sin teti co, i principali strumenti e metodi connessi al le molteplici tecniche oggi disponibili.

Proprietà letteraria riservata Copyright © 2004, Associazione Italiana di Telerilevamento

ISBN 88-900943-7-0 44136 Tutti i diritti sono riservati. Vietata qual siasi forma di riproduz io ne anche parziale dei testi, tabelle e figure senza esplicita autorizzazione AIT.

Impaginazione e stampa Artestampa, Galliate Lombardo, (VA)

Ne è ri sultato questo corposo Volume, destinato non ai uper-specialisti, ma alla vasta schiera dei tecnici e deg li studiosi c he uti li zzano la Geomatica, o parte di essa, nel cor o della loro quotidiana atti vità professionale o di studio. Mi riferisco in particolare a i tecnici cui compete la gestione del territorio naturale e costrui to (ingegneri , geologi, agronomi, architetti, urbanisti, operatori nel campo de i beni architettonici e ambientali, funzionari degli e nti ten itorial i, etc.), e agli stude nti di primo livello e di master, che sempre più numerosi affrontano tematiche in c ui le di scipline del rilevame nto giocano un ruolo determinante. Mario A. Gomarasca è un ricercatore del CNR, che si è occupato da empre di Telerilevame nto, ma che più recentemente, per molti an ni , ha ricoperto la prestigiosa e impegnativa carica di presidente dell ' ASlTA (Federazione delle Assoc iazioni Scientifiche per le Informazionj Te rritoriali e Ambie ntali). In questo ruolo, svolto con entu iasmo e grande efficienza, ha potuto usufruire di un osservatorio privilegiato, a tullo campo, sui temi della Geomatica,

VI

PRESE.WAZIO:>E

dovendo organizzare e coordi nare le Conferenze Nazionali, dove confluiscono ogni a nno alcune centinaia di lavori scientifici, compendio dell'intensa attività di ricerca in campo nazionale, nei settori della Geomatica. Le sue competenze più specifiche in materia di Telerilevamento si sono quindi ampliate e arricchite delle nozioni relati ve a lle altre discipline del rilevamento. Ln questo Volume, pertanto, l' Autore ha potuto travasare la sua personal e esperienza, che risulta approfondita nel suo campo di attività primaria, ma che i ricollega efficacemente a ll ' intero mondo della Geomatica. È scontato che lo specialista di un singolo settore non troverà, nel capitolo dedicato alla sua materia spec ifica, ele menti di novità o di approfondimento, ma è certo che quello stesso specialista potrà attingere trasversalmente, dagli altri capitoli, preziose nozioni relati ve alle di cipline affini.

LI Lettore, sia esso uno tudente universitario, un profe sionista, un fun zionario tecn ico, uno studioso, potrà quindi usufruire con facilità dei concetti di base fondamentali e delle informazioni più aggiornate sullo stato dell'arte, per affrontare con maggiore amp iezza di vedute i complessi e multidisciplinari problemi attine nti al rilevame nto del territorio e dell 'ambiente in lutte le sue forme. A mio avviso questo obiettivo, tutt ' altro c he modesto, è piename nte raggiunto dal presente Volume e dal suo Autore Mario A. Gomarasca. A entrambi auguro la migliore fo rtuna e il pieno successo c he meritano.

Sergio Dequal Professore Ordinario di Topografia e Fo1ogra111111e1ria Direi/ore del Dipartimento di Ingegneria del Terri1orio, del/ 'A111bie11te e delle Geotecnologie (DITAG) del Pofilecnico di Torino

Torino, 25 novembre 2004

li

Quando ripresi in mano il primo Libro Introduzione a Telerile vamento e GIS per la Gestione delle Risorse Ag ricole e Ambientali (pubblicato da AJT nel 1997) a fine novembre l 999 all'aeroporto di Parigi in attesa del volo per Niamey, Niger, con il collega e amico Eugenio Zilioli, avevo solo in mente di agg iornare quel te to che era già arrivato alla seconda ristampa. Leggendo e ril eggendo, e re. cendo le conoscenze che nel fratte mpo andavano integrandosi in AS ITA, la Federazio ne delle Associazioni Scientifiche per le Informazioni Territoriali e Ambientali, di c ui ero stato e letto Presidente all'inizio del 1998, e il crescente interesse attorno a ll 'argomento, mi fece maturare l' idea di ampliare i contenuti e di lavorare ad un progetto mol to più ambizioso che toccas e alcu ni dei temi propri della Geomatica. Ora dopo anni d i ripensamenti, le tture, studi, un complesso lavoro bibliografico di consultazione e selezione di testi, seguiti da di scussioni, confronti e revisioni da parte di molti Espe1ti dei di versi ambiti de lla Geomatica, il Volume presenta una panoramica al neofita e spunti a chi già vi o pera, per integrare le conoscenze in uno o pi ù dei settori trattati. Anche questo Volume, come il precedente, è il primo a essere scritto in ital iano e introduce diver e discipline e tec niche proponendosi come testo di riferimento e di stimolo lasciando poi ag li interessi de l Lettore più dettagliate esigenze di stud io. Nel Volume sono state spesso tralasciate le dimostrazioni e molti approfondimenti, indicando però dove trovare specifici riferime nti . L'ampia e elezionata bibl iografia al te rmine di ogni Capitolo consente di di stricarsi nella fitta di sponibilità di testi c he affollano i diversi settori. Essendo la Geomatica di sciplina recente e dai contorn i ancora sfumati, aperta a molte interpretazioni, propongo il mio punto di osservazione, quello del telerilevatore agronomo con esperie nza ne ll 'ambito de lle applicazioni ambientali, che susciterà approvazioni e critiche, aprendo, mi auguro, un dibattito scientifico e professionale costruttivo. Il Volume non ha la pretesa di rispondere alle molteplici questioni che la Geomatica pone ma di fornire e lementi cono citi vi e spunti di base interdisciplinari per contri buire in modo costrutti vo ad affrontare questo complesso mondo. In molti passaggi di questo Volume mi sono trovato di fronte al problema di dover definire te rmini che poi più volte vengono riportati ne l testo. È senz'a ltro compito dell'Ontologia cercare di mettere ordine nel g inepraio delle definizi oni e degli acron imi che spesso si usano in modo generalizzato e generico. Essendo però una disciplina g iovane in questo ambito, e non esistendo ancora un di ziona rio ontologico universalme nte ri conosciuto, ho cercato nella nomenclatura le defi nizioni più comunemente utilizzate e accettate riportandole nel testo, mediando le, a volte, contrastanti posizioni. Il Volume è orientato a coloro c he intendono avere una introduzione e un ampliamento alle di scipline e tecniche della Geomatica (Geo-spatial l nformation), con particolare attenzione a Pubbliche Amministrazioni, Professionisti, Corsi uni versitari, Master, Corsi post-laurea, così come è avvenuto per il primo Volume.

VIII

P RHAZJONEDELL'AUTOR I'

) Se dove i ringraziare tutti coloro che in qualche modo hanno contribuito alla stesura di questo Volume dovrei forse ricordare molti partecipanti alle Conferenze ASlTA e i Soci delle Associazioni Federate, citare numerose Univer ità e Politecni ci, Istituti del CNR, Associazioni professio nali , ricordare i numerosi corsi uni versitari, Master (anche internazionali) e corsi di perfezionamento dove i discenti hanno contribuito con le domande, le curiosità e le osservazioni a stimolare approfondimenti. L'Associazione Italiana di Telerilevamento e la Sezione di Milano dell'lstilllto per il Rilevamento E/e//romagnetico dell'Ambiet11e hanno avuto un ruo lo fondamentale e ringrazio tutti con particolare affetto, così come il Dipartimento di Ingegneria del Territorio, dell'Ambiente e d 350 m) (Maricchiolo er al., 2004), 5 14

Figura 9.27

Segmenta=:.ione di una immagine, o interpolazione di dari, utiliz:ando i poligoni di Thiessen. Esempio su dati di pioggia misurati p1111t11a/me11te, 448

Figura 9.28

La generazione di 1111 DSMIDEM da w1 sistema a scansione laser da aereo i111rod11ce problemi di classificazione. I pu111i che non appartengono al livello del terreno U devono poter essere idenrificati altrimenti possono generare diversi modelli superficiali (S 1, S2). 454

Figura 9.29

a: DEM originario rasrer, b: TIN derivalo da DEM originario, c: curve di livello derivate da TIN. Le curve di livello sovrapposre a TIN sono rappresenrare nella Tavola 9.8, 457

Figura 9.30

Rappresentazione tridimensionale (3D) di grigi, 458

Figura 9.31

Confronto fra d11e diverse interpolazioni, a parrire dal medesimo set di dati: le quote (seminato di punii quorati) ripor/ate nella mappa A possono condurre a risultati molto diversi tra loro (a, b), 460

Figura li.I

li flusso di informa;:.ioni di INSPIR E. SDI: Spatial Data lnfrastrucrure, 534

Figura 11.2

Diversi aspetti del GMES, Moniwraggio Globale per l 'Ambiente e la Sicurezza, così come organizzati nel 6° Programma Quadro della Commissione Europea. 536

Figura 9.32

La rapprese/I/azione schematica del GIS virruale (Ehlers, 1995). CUI: Graphical User lnterface o Interfaccia Grafica con l 'Utilizzatore DIP: Digitai lmage Processing o Trattamento Digitale delle Immagini. DEM: Digitai Elevation Model o Modello Digitale del Terreno, 466

Figura 11.3

Schema indicativo del rischio integrato e gestione delle crisi dell'iniziativa GMES della Commissione Europea, 540

Figura 9.33

Le componenti di un Sistema Esperto, 467

Figura 9.34

Schema di flusso de/l'interprete del piano di processo di un GIS virtuale, 468

Fig ura 9.35

Errore di digira/izza-::.ione: una curva dive/Ifa una spezzata (o poli-linea), 476

Figura 9.36

Frequenti errori di dig ita/iz=:.azione, 476

Figura 9.37

Schema delle architetture per un sistema con base di dati distribuite; a: schema globale, b:schema multiplo i11tegra10, c: federalo, d: linguaggio per basi di dati distribuite. Gli lllilizzatori ai siti a, ~. y accedono ai dati da tre fonti. Gli schemi locali ( L) sono espressi in differenti modelli di dati. Gli schemi Componenti (C) e Federati (F) sono espressi utilizzando un Canonica/ Data Model (CDM). Uno schema federato è l 'integrazione di più

1111

DEM tramite strullura a griglia in scala di

?

(l 'I

CAPITOLO

11

Lista delle tabelle CAPITOLO

2

Tabella 2. 1

Alcuni ellissoidi comunemente usati nel passato e il WGS84, sistema di riferimento internazionale globalmente riconosciwo, 28

Tabella 2.2

Definizioni 33

Tabella 2.3

Scale relative delle carte, 44

Tabella 2.4

Organi cartografici dello Stato, 46

Tabella 2.5

Rappresentazioni t11iliu.ate nella cartografia ufficiale italiana, 48

Tab ella 2.6

Denomina::.ione dei fo rmati cartografici, 5 1

Tab ella 2.7

Classificazione delle carte tematiche e scala di riferimento, 56

Tab ella 2.8

Relazione tra satelliti più comunemente utiliz:ati, le loro applicazioni e le scale più appropriate di restituzione cartografica, 58

Tabella 2.9

Altri modi possibili, usati nel passato, per classificare le carte, 60

C A PITOLO

3

Tabella 3.1

Anno di riferimento, Scienziati, e scoperta a cui è legato il loro nome nell'ambito della Fotografia e della Fotogrammetria, 78

Tabella 3.2

Definizioni di prodoui ottenibili da fotografie aeree, 81

1àbella 3.3

Dati riportati sul certificato di calibrazione della camera, 85

Tabella 3.4

Suddivisione delle camere fotogrammetriche in riferimento al/ 'Orientamem o Interno (O. I.) che le caraueriu.a, 85

Tabella 3.5

Parametri geometrici che indirizzano la redazione del piano di volo (v, Figura 3.1 I ), 90

Tab ella 3.6

L'utilizzo di approcci non-parametrici richiede /'adozione di numerosi punti di appoggio a terra (Ground Contro/ Point, GCP). 109

C A PITOLO 4

Tabella 4.1

Anno di riferimento, Scienziati, e scoperta a cui è legato il loro nome nell 'ambito dei campi essen::.iali dello spettro elettromagnetico e della teoria del Telerilevamento, 113

Tabella 4.2

Regioni di interesse del Telerilevamento, 115

Tabella 4.3

Qualllità perce111uali di radiazione solare incidente al limite esterno del/ 'atmosfera terrestre, 118

Tabella 4.4

Valori di albedo per diverse superficie, 125

Tabella 4.5

Definizioni delle principali grandezze radiometriche, I 30

Tabella 4.6

Principali grandezze e relative unità di misura utilizzate nel Telerilevamento, I 30

Tabella 4. 7

Principali grandezze radiometriche. corrispondenti g randezze fo tome1riche e relative unità. di misura utilizzate nel Telerilevamento, 132

Tab ella4.8

Finestre atmosf eriche, intervalli dello spettro elettromagnetico, ove la trasm.issività consente le applicazioni di Telerilevamenlo, I 39

Tabella 4.9

Molecole responsabili de/l'assorbimento della radiazione nell 'infrarosso medio e /onIano e centro-banda delle relativefinesire di assorbimento, 141

Tabella 4.10

Bande radar, Lunghezza d 'onda e f requenza: le più utilizzate sono le bande X, C, e L, 147

XXXVIII

ELEME.,TI 0 1 GEm1ATICA

L ISTA DELLL TABELLE

XXXIX

Tabella 4.1 I Tabella 4.12

li Telerilevamento da satellite dal visibile al radar, 15 1 Sinergismi tra diversi sistemi di acquisbone: o//ico-passim, riflesso ed emesso, e radarallivo, 15 1

Tabella 6.28

Strumenti ollici e radar operativi sul sarei/ite ALOS, 264

Tabella 6.29

Cara/leristiche operative dei sistemi satellite-sensori NOAA, Resours-01, Landsat, SPOT, IRS, 265

Tabella 4. l 3

Le tre componeIli i della tessi/L/ra di immagini radar. 157

Tabella 6.30

Caratteristiche in ambiente marino rilevabili con le bande speura/i di OSMJ su KOMPSAT-1 (Corea), 265

Tabella 6.31 Tabella 6.32

Cara11eristiche degli strumenti a bordo di CBERS-1 e 2, satelliti cino-/Jrasiliani, 266 Le caratteristiche delle principali missioni radar (Tavola 6.6), 268

Tabella 6.33

Confronto tra diverse acquisizioni di satelliti di tipo commerciale, 270

Tabella 6.34

Caratteristiche dei satellti OrbView /, 2, 3 e 4, 272

Tabella 6.35

Caratteristiche dei sistemi satellite-sensori ad alta risolu::.io11e IRS-1 D, lKONOS, Quick Bini, Orb View, EROS. 273

Tabella 6.36

Alcune delle prossime missioni per lo studio delle risorse terrestri in presumibile cresce/l/e ordine temporale di lancio, 274

Tabella 6.37

Caratleristiche radio111etriche di a/c1111i sensori aerotrasportati a scansione multi e iperspeura/i, 276

Tabella 6.38

Cara/leristiche tecniche della camera fotogrammetrica digitale ADS40, 279

Tabella 6.39

Cara//eristiche delle diverse configura::.io11i possibili della camera digitale DMC (Hi11:., 2000), 279

Tabella 6.40

Confronto dei 1·w11aggi e s1,a11taggi tra i sistemi di acquisi:.ione lineare o a matrice con i11dica:.ione di alcune necessità nell'111ili::.20 del/'11110 o dell'altro sistema, 282

Tabella 6.41

Confronto di a/c1111i parametri caraueristici dei sistemi aerofotogrammetrici di ripresa digitali a tre linee e a matrice, 283

Tab ella 6.42

Caratleristiche tecniche di alcuni sensori iperspellrali da aereo, 283

Tabella 6.43

Cara11eristiche del sensore iperspetlra/e da aereo MIVIS, 284

Tab ella 6.44

l111ervalli spettrali dei 4 radiometri dello strumento iperspettrale MIVIS e possibili applicazioni, 285

CAPITOLO

5

Tabella 5. 1 Tabella 5.2

CAPITOLO

Anno di riferimento, Scie11::.iari, e scoperta a cui è legato il loro nome 11el/ 'a111bito del/'lnfonnatica, 172 Evohr:.ione dei sistemi di rilevamento da aereo e da satellite per la Geomatica, 202

6

Tabella 6.1 Tabella 6.2 Tabella 6.3 Tabella 6.4 Tabella 6.5 Tabella 6.6 Tabella 6.7 Tabella 6.8 Tabella 6.9 Tab ella 6. l O Tabella 6.11 Tabella 6.12

Classi di risolu:.ione geometrica per riprese aeree e da satellite, 2 19 Esigen::.e degli operatori, in Italia, per la pia11i.fica:.ione del territorio e potenzialità di immagini da satellite, 223 Le tappe della conquista dello Spa:.io, 224 Ve/lori per la messa in orbita di satelliti, 225 Defini::.ioni, caralleristiche e specifiche aero11awico-spaziali. 226 Principali strumenti per lo stttdio del/ 'atmosfera e della superficie terrestre e loro utilizzo, 228 Principali Agenzie Spa::.iali, 233 Caralleristiche strumentali dei sensori installati sui satelliti NOAA, 235 Alcuni satelliti, strumenti e obiellivi del programma Earth Observing System (EOS), 236

Tabella 6.13 Tabella 6.14

La serie dei Satelliti Landsat, 237 Strumemi, acronimi e campo di azione degli strumenti a bordo di EOS-AM Terra, 241 Caratteristiche dello strumento ASTER a bordo del satellite Terra, 242 Obiellivi delle m issioni globale e regionale del programma ENV/SAT, 245 Sensori a bordo di ENVISAT. caralleristiche e principali applica::.ioni, 246

Tabella 6. 15 Tabella 6.16 Tabella 6.17

Ampie::.za delle strisciate 011e111//e da differenti a11goli di i11ciden::.a dell'ASA R. 247 Gli strumellli a bordo dei satelliti ERS-1 e ERS-2, 247 Cara11erisriche operative della cosrella::.ione COSMO!SkyMed. 248

Tabella 6.18

Cara//eristiche della so//o-cosrella::.ione radar in banda X di 4 satelliti, COSMO/SkyMed. 249 Caratteristiche della so1to-costella::.io11e 011ica di 2 satelliti, camera ad alta risolu::.ione di COSMO/SkyMed, 250 La serie dei Satelliti SPOT, 251

Tabella 6. 19 Tabella 6.20 Tabella 6.2 1 Tabella 6.22 Tab ella 6.23 Tabella 6.24 Tabella 6.25 Tabella 6.26 Tabella 6.27

La serie dei Satelliti SPOT: strumenti, bande spellrali e risoluzioni geometriche, 252 Parametri dei sistemi di ripresa TK-350 e K VR-1000 del sistema KOMETA russo, 257 Principali caratteristiche tecniche del sistema Resurs-DK, 258 I sensori del satellite IRS- 1C. 260 Risol11zioni geometriche di ogni strumento nel caso il satellite IRS 1 D si trovi al perigeo o all'apogeo, 260 Caratteristiche dei satelliti della serie IRS, 261 Carau eristiche dei sensori a bordo del saiellite A DEOS. Midori, dell'agen::.ia spar.iale giapponese JAXA, 263

Tabella 6. 45

Caratleristiche principali di alcuni sistemi Laser scanner, 291

Tabella 6. 46

Caraueristiche tecniche di alcune telecamere sperimentate per lo swdio dello stato fitosanitario della vegeta::.ione, 295

Tab ella 6.47

Caratteristiche tecniche di alcuni spellroradiometri per rilevamenti al suolo e da aereo, 297

CAPITOLO

7

Tabella 7.1

Parametri kepleriani per la determinazione delle coordinate dei satelliti utili::;:.ati per calcolare le effemeridi: tabelle che indicano le coordinate per individuare gli oggetti in orbita che variano di posi:.ione a diversi inten•alli di te111po, 303

Tabella 7.2

Le frequenze del segnale GPS, 304

Tabella 7.3

Errori di posizionamento in coordinate piane e in altezza di un punto. Segnale registrato da w1 ricevitorie GPS in Olanda nell'ora di riferimento UTC. L 'elimina::.ione della disponibilità selettiva SA ha migliorato il posi::.ioname11to autonomo GPS di un fattore IO, 311 Precisione teorica 11el posizio11ame11to, 311

Tabella 7.4

}

Tabella 7.5

Tipi di ricevitori del segnale GPS, 315

Tabella 7.6

I parametri del sistema locale di riferimento PZ90 a cui sono riferire le coordinate cartesiane geocentriche del sistema GLONASS, 317

Tabella 7. 7

Precisioni di posi;:.io11ame11to di un punto a confronto tra i singoli sistemi GLONASS e GPS e loro di1•erse integra::.ioni i11 pse1ulo-dista11::.a e differen::.iale, 318

XL

ELEME.Vfl DI GEOMATIC,\

LISTA DEI. LE TAllLLLE

XLI

I

l

i

Tabella 7.8

Servizi di posi:.io1u11nento di Galileo, 320

Tabella 9.6

Tabella 7.9

Galileo è strutlurato per operare in cinque distinte frequenze, per complessivi 11 diversi tipi di segnali, 321

Tabella 9.7

Tabella 7. I O

Frequen ze dei sistemi GPS, GLONASS e Galileo. Le frequen ze Galileo E5/ L5 e E2-L 1-E 1 sono comuni con le frequenze L5 e L1 del GPS. la frequenza Galileo E5b è comune con la frequenza L3 di GLONASS, 322

Tabella 9.8

Tabella 7.11

8

Tabella 8.1

Classificazione delle trasformazioni di i111111agù1i, 327

Tabella 8.2

Effetti radiometrici e geometrici, 329

Tabella 8.3

Confrollfo tra le caratteristiche delle analisi qualitativa e q11a111itativa, 347

Tabella 8.4

Strumenti utilizzabili per lo studio delle immagini spenrali, 347

Tabella 8.5

Media aritmetica, varian:.a e deviazione standard: parametri statistici di utilità per l'esplorazione preliminare delle immagini, 350

Tabella 8.6

Classificazione delle recniche per il miglioramenlo del contrasro delle immagini, 355

Tabella 8.7

Il fai/ore umano nel/'interpreta::Jone di immagini (Ma/ago/i. 2002). 367

Tabella 8.8

Analisi metrica delle immagini da (foto)interpretare. 385

Tabella 8.9

Coefficienti di assorbimento a(A.). di diffusione h(À) e di attenuazione c(À) dell 'acqua alla temperatura di 20°C. Tali coefficienti variano fin o al 15% del segnale nell'intervallo di remperatura da O, I a 26 °C, 392

Tabella 8. 10

Classificazione degli indici cli vegetazione (VI), 397

Tabella 8.11

Rapporti tra bande e relativo elemento meg lio c/isc ri111i11ato (NIR: vicino infrarosso, MIR: medio infrarosso, R: rosso, V: verde), 398

Tabella 8.12

Definizione, acronimo e algoritmo di alcuni indici cli vegetazione, 401

Tabella 8.13

Esempio di bande sintetiche calcolate con la trasformazione Tasse/ed Cap per una imma· gine Landsat MSS, bande 4,5.6,7. Per ogni banda e per ogni indice sono calcolati dei fauori di correzione variabili in funzione di numerosi parametri, 403

Tabella 8. 14

Classifica:.ione dei classifica/ori, 405

Tabella 8. 15

Effeuo dei filtri per la riduzione del rumore s ul rapporto segnale/rumore per diverse categorie di copertttra del suolo (Paudya! & Asc/1bacl1er. 1993), 419

Tabella 8.16

Esempio numerico di una matrice di confusione per l 'accertamento de//'accurate::.za della classificazione, 422

CAPITOLO

Scheda esemplificativa di metadati relativi alla realizzazione delle ortofoto digitali Italia 2000 per la Pro vincia Autonoma di Trento (PAT). 478

Confronto tra le principali caratteristiche dei sistemi GPS, GLONASS e Galileo, 322 CAPITOLO

CAPITOLO

Ricostruzione della moifologia del terreno per interpolazione del DEM e diversi metodi di i111erpola::.io11e, 459 Tipi di errore che si possono verificare nella realizza zione di un Sistema Informativo Territoriale, 473

9

IO

Tabella IO.I

Sistema di classificazione di coperwra e uso del suolo basato s11 dati te/erilevati USGS 1976, 498

Tabella 10.2

Tabella 10.4

Legenda di Copertura del suolo USGS e IGBP-DIS otte1111ta modificando la classificazione USGS/976. 499 legenda di Copertura del suolo Eartl1Sat GeoCover basata su modifiche della classificazione USGSl976. 500 Legenda di Copertura del suolo UNEP/ FAO 1993, 50 1

Tabella 10.3

l

Tabella 10.5

Schema di classificazione del National Lanci Cover Data (NLCD) 1992, 502

Tabella 10.6 Tabella 10.7 Tabella 10.8

Sistema di classifica:ione della Copertura del s110/o South Africa/I Standard, 503 Schema di c/assifica::.io11e della copertura delle terre e delle foreste GOFC/GOLD, 504 Definizione dei livelli di c/assijìca~io11e del National Vegetation Classification Standard (NVCS). 505

Tabella 10.9

Legenda del sistema di c/assificazio11e di Copertura del suolo CO RINE (EC). 507

Tabella 10.10 Sintesi multispettrali delle immagini da satellite più utilizzate per l 'i11te1pretazione della copertura del .wolo, 5 10 Tabella 10.11 Esempi di interpretazione sulla base del colore delle immagini in Falso Colore RG8:432 delle immagini ù111dsat TM, 5 10 Tabella 10.12 Principali caratteristiche del progetto CLC I 990 e del 11110110 l&CLC2000, 5 12 Tabella 10.13 I tre moduli di cui è composto il Sistema di Classificazione di Copertura del Suolo · LCCS - sono i11terdipe11denti tra loro, 5 18 Tabella 10.14 Definizione dei tre livelli di c/assificazio11e dicotomica della copertura del suolo del sistema FAO-LCCS, 5 19 Tabella 10.15 Classificazione modulare-gerarchica per la classe: Vegetazione naturale o semi naturale terrestre, 5 19 Tabella 10.16 Esempio di classificatori puri per la classe: Vegetazione naturale o semi 11t1turale terrestre. 520 Tabella 10.17 La fase gerarchica modulare: esempi di selezione di classificc1tori e auributi per Terre coltivate (a sinistra) e Aree regolarmente sommerse vegetate naturali e semi-naturali (a destra ). Alla stessa lei/era maiuscola corrisponde identica selezione di classificatore, 52 1

Tabella 9.1

Pregi e difetti dei modelli di rappresentazione vettoriale e raster, 439

Tabella 10.18 Forma zione delle classi di copertura del suolo durante la fas e di classificazione modulare-gerarchica, 52 1

Tab ella 9.2

Suddivisione gerarchica dei metodi di rappresentazione della superficie terrestre, 449

Tabella 10. 19 Tipologie di copertura del suolo con il loro dominio struttura/e, 522

Tab ella 9.3

Fasi per la produzione di un Modello Dig itale della Superficie (DSM). ALS: Airbome Laser Sca11ning POS: Passive Optica/ System, 452

Tabella 9.4

Le principali differen ze dell'ALS rispetto a Fotogrammetria analitica, Fotogrammetria digitale e Telerilevamento, 455

Tabella 9.5

Vantaggi del sistema di scansione laser da aereo rispello /'aerofotogrammetria e il Te/eri/el'{lmento nella rappresentazione 3-D, 456

C APITOLO

11

Tabella 11.1

Categorie te111atiche di dati territoriali definite nel documento CE COM(2004 )516 final del 23 luglio 2004, 532

Lista delle tavole a colori CAPITOLO

2

Tavola 2.la

Rappresentazione d ella Terra come sviluppo rispello la superficie di un cono. con meridiani e paralleli, elabo rata da Claudio Tolomeo (li secolo d. C.).

Tavola 2. l b

La Terra in una ca rta di Tolomeo, traila da un codice latino del De geographia del XV secolo.

Tavola 2.2

Mappa di Piri Reis del 1533, ritenuta una delle primissime, se non la prima in asso/1110, che mostrava le Americhe, è sicuramente la più precisa carta redatta nel XVI secolo.

Tavola 2.3

Immagini d ella 1èrra riprese da Apollo IOe 17 dallo Spazio nel maggio 1969 e dicembre 1972; le missioni Apollo hanno portato l 'uomo sulla Luna il 20 luglio 1969 con Apollo 1 I.

CAPITOLO

3

Tavola 3. 1

Bologna dalla camera digitale a erofotgrammetrica ADS40 con sensore lineare pushbroom; a: pcm cromatico, b: colori, c: i11ji-c1rosso falso colori. (© CGR, Parma ). Quota media relativa: 6.240 rn Data volo: 22 aprile 2004 Risoluzio ne geometrica: 65 on Ampiezza della strisciata: 7,8 km ( 12000 pixel x 65 cm) Lunghezza: 25 Km

Tavo la 3.2

Immagini a: colori e b: inf rarosso falso colore, di 1111 particolare rilevato dalla camera digitale aerofotogrammetrica ADS40 (© CGR, Parma).

CAPITOLO

4

Tavola 4.1

La parte visibile d ello spe11ro elettromagnetico (0,38 - 0, 75 µm) passando attraverso un prisma, come sperimentò Newton nel 1666, si scompone nei colori dell 'arcobaleno dal vio/euo (0,40 - 0,4 1 µ111) al rosso (0,65 - 0,68 µm ); su ccessivamente è stata dimostrata la possibilità di misurare /'intensità di ogni singolo colore di cui la luce visibile è costiJuita. (CNR-IGL, 1983).

Tavola 4.2

Lo speuro delle o nde elellromagnetiche e le sue regioni sono caratterizzate da una fre quenza (Hz) o dal suo inverso lungh ezza d 'onda (A).

Tavo la 4.3

la regione d el visibile tra 0,4 e O, 7 11111 di lunghezza d'onda è costituita dai 7 colori fondamentali dell'arco/Jaleno: violeuo, blu, azzurro, verde, giallo, aran cio, rosso.

Tavola 4.4

A11go /azione del Sole a mezzogiorno in periodi di vers i dell'anno. In Italia (latitudini 40° - 45°) la massim a energia solare è presente il 21 giugno, mentre in dicembre si ha la mi11ima disponibi/iuì di energia.

Tavola 4.5

Schemi compositivi dei colori rappresentanti: a: sintesi additiva, realizzata per addizione delle luci m onocromatiche prima rie Blu, Verde, Rossa proiettate su un.o schermo bianco diffusore la cui sintesi produce il Bianco; a due a due le sovrapposizioni d ei fasci generano i colori complementari Giallo, Magenta e Ciano, b: sintesi sottrattiva, realizzata per trasparenza a partire da Luce bianca; a due a due la sovrappos izione d ei filtri Giallo. Magenta, Ciano lasciano passare rispettivamente solo Rosso, Verde, Blu; la sovrapposizione dei tre filtri assorbe completamente la luce bianca e si ottiene il Nero.

XLIV

LISTA DEI.LI! TAVOl.E A COLORI

Tavola 4.6

Tessitura di alcuni tipi di coltivazioni che generano diverse risposte di retrodiffusione del segnale radar; a: barbabietola da zucchero, b: patata, c: fru111ento, d: piselli.

Tavola 4.7

Fase interferometrica rappresentata a colori e m odulo rappresentato con l 'intensità di immagini SAR ERS- 1. La fase interferometrica è stata ottenLlla come differenza tra due passaggi ERS-1 ed ERS-2 del 5 e 6 Settembre 1995. Le frange interferometriche riproducono le curve di livello; a: parte orientale della Sicilia comprendente il monte Etna con baseline di circa 110 metri, b: il Vesuvio con baseline di circa 135 metri c: immagine Landsat di riferimento. (© DEI, Politecnico di Milano).

Tavola 4.8

Velocità media dello spostamento lungo la li11ea di vista in mm/anno nella zona di Pisa determinata con la tecnica degli scatteratori perman enti; a: rappresentazione 3D dell 'a rea di Pisa, b: indicazione degli spostamenti avvenuti nel tempo secondo la scala di riferimento(© DEI, Politecnico di Milan o). Frana del Monte Padrio-Varadega, Grosio SO): elaborazione con tecnica Permanent Scauerer (PS) di dati radar da wtellite relativi all 'arco temporale 1993-2002; nell'immagine tridimensionale è rappresentata la velocità media di deforma zione dei capisaldi radar (PS) individuati nella zona in esame. Sul versame di frana sono distinguibili numerosi PS di riferimento. (© Tele-Rilevamento Europa, Milano).

Tavola 4.9

Tavola 4.JOa

Tavola 4.JOb

CAPITOLO

ELEMENTI DI G EO'.\IATICA

Tavola 6.9

CAPITOLO

XLV

Confronto tra d11e tavole di colori di riferimento a cui sono stati applicati a: il filtro tradi:.ionale RGB (Red, Green, Blue) e b: il filtro a quattro colori RGBE (Red, Green, Blue, Emerald); con questo sistema si amplia la gamma di colori che i sensori _.,ossono catturare migliorando la risposta e la resa cromatica.

7

Tavola 7.1

Costellazione dei 24 satelliti NAVSTAR distribuiti su 6 piani orbitali. le orbite sono quasi circolari a 20. 183 km di altezza.

Tavola 7.2

Rete europea EUREF di stazio11i permanenti GPS.

CAPITOLO

8

Tavola 8.1 Tavola 8.2

Immagine Landsat 5 TM del Gargano con sovrapposto un reticolato chilometrico con passo di IO km UTM 32 N WGS84. Sovrapposizione della cartografia digitale con una immagine ortoproiettata. Osservando la posizione di un elemento presente sia sulla cartografia (linee nere) che s11ll 'ù111nagine digitale, è possibile calcolare l'errore (RMSE) prodotto dal processo di ortocorrezione.

Frana del Monte Padrio-Varadega, Grosio SO): elaborazione con tecnica Permanent Scatterer (PS) di dati radar da satellite relativi all'arco temporale 1993-2002 s11 Carta Tecnica Regionale; le velocità di sposta111e1110 dei PS sono saturate tra - IO (rosso) e+ IO (blu) mm/anno. (©Te le-Rilevamento Europa, Mila110).

Tavola 8.3

Esempio di serie storica di deformazione di uno sca11eratore per111ane11te ( PS, Per111a11e11t Scatterer AD353) indicato sulla cartografia di Tavola 4. /0a.

Fotogramma ortoproiettato con risolu:.ione originale di /metro; la posizione di ogni elemento è individuata sia da coordinate immagine (righe e colonne) che da coordinate geografie/re (Est e Nord).

Tavola 8.4

Particolare della Tavola 8.3.

Tavola 8.5

Struttura e processo fotografico per lo sviluppo di pellicole negative bianco/nero e colori (a) e colori diapositive (b). IRFC: lnfraRosso Falso Colore.

Tavola 8.6

La jì1sione con la tec11ica pan-sharpening di una immagine pancromatica con maggiore risoluzione geometrica (in genere il p ixel ha lato metà del multispellrale) con la multispellrale a 3 bande consente di ottenere una nuova immagine di sintesi con i pregi di entrambe.

6

Tavola 6.1

Il principio di acquisizione delle immagini da satellite.

Tavola 6.2

Ripresa notturna dell'Europa dal satellite Meteosat il 28 senembre 2003: l 'Italia, esclusa la Sardegna, è completamente al buio a causa dell'interruzione di energia e/eflrica, per il blackout verificatosi in quella notte.

Tavola 8.7

Ta vola 6.3

Alcuni tra i satelliti in orbita per /'Osservazione della Terra: La1ulsat, IRS-I C, ERS-1 identico al suo gemello ERS-2, Envisat e QuickBird.

Immagini multispettrali delle sintesi a: RGB:321, b: RGB:432, c: RGB:453, d: RGB:741 di una finestra Landsat ETM+ che include il Lago di Iseo.

Tavola 8.8

Tavola 6.4

Configurazione della stazione spaziale internazionale ISS.

Tavola 6.5

Suggesti1'a immagine ripresa dallo Space Shuttle che riporta la linea giorno/noue al tramonto sull 'Europa e l'Africa atlantica.

Confronto delle riprese con tecniche fotografiche colore (a, b) e IR falso colore (c,d) di una conifera (a) e di una latifoglia (b). Interessante osservare come cambia, nelle riprese IR falso colore, il colore verde del panne/Lo delle riprese a colori naturali rispello a q11ello, dovuto alla clorofilla, della vegetazione. 1

Tavola 8.9

a: Sintesi multitemporale di immagini ERS-1 SA R 18 aprile, 25 maggio, I luglio 1994 a confronto con b: sintesi multispettrale Landsat RGB:432 del 7 aprile 1994 di 11n 'area risicola, Vercelli. Classificazione di immagini in banda radar per campi (c) e per pixel (d).

Tavola 6.6

Diversa polarizz.azione del segnale radar di alcuni satelliti con sistema auivo.

Tavola 6.7

Immagine dell' Italia e dell'area Balcanica ripresa il 27 febbraio 1999 dal sensore SeaWiFS del satellite OrbView-2.

Tavola 6.8

La camera digitale DMC monta differenti sensori: 3 elementi centrali per acquisire immagini pancromatiche e/o a colori, 4 elementi laterali per le immagini multispettrali (blu, verde, rosso vicino infrarosso). La presa contemporanea di 4 scene richiede una mosaicatura per la ricostruzione della scena intera.

C APITOL09

Tavola 9.1

Tavola 9.2

Modello vettoriale e raster a confronto: all'immagine a colori naturali (a) acquisita con metodi fotogrammetrici o da sistemi a scansione multispettrale alla rappresentazione a griglia o raster (b), e vettoriale (c). Dall'acquisizione di dati fotogrammetrici o telerilevati al Modello Digitale del Terreno; da coppie di fotogrammi, coppie di immagini ot1iche o radar si ricostruisce il modello stereoscopico o interferometrico; da questo si misurano le quote derivando il Modello di Elevazione del Terreno per rappresentare poi il Modello Digitale del Terreno utilizzato per vestire le immagini e la cartografia 2D.

XLV I

LISTA DELLE TAVOLE A COLORI

... per millenni ogni uomo aveva contato solo il proprio territorio, ma la misura della circonferenza terrestre segnerà per gli uomini l 'uscita dal villaggio; e ogni uomo, al di là dell 'attaccamento alla sua terra, diverrà abitante della Terra ... Tavola 9.3

Nei Sistemi Informativi Territoriali la scena reale viene scomposta in diversi piani informativi raster o vettoriali georiferiti e quindi tra loro sovrapponibili.

Tavola 9.4

La cartografia 3D è realizzabile integrando la cartografia 2D con informazioni sulla quota derivabile da acquisizioni aerofotogrammetriche e da satellite stereoscopiche e, per es., da sistemi a scansione laser da aereo.

Tavola 9.5

Modellazione di ambiente montano combinando un DEM, una ortofoto digitale e un piano informativo vettoriale relativo ai volumi degli edifici; a: scena intera, b: particolare della scena a.

CAPCTOLO J

Tavola 9.6

Immagine MIVIS a colori naturali d ella Val di Susa e corrispondente cartografia C TR 1:10.000 sovrapposte a un DEM, con passo di 50 m, della Regione Piemonte.

GEOMATICA

Tavola 9.7

Immagine M!V!S della Val di Susa a colori naturali sovrapposta a DEM della Regione Piemonte; a: visione globale; b: ing randimento della scena in a con diverso angolo di vista dei versanti.

Tavola 9.8

a: schema di triangolazione del TIN definito su un seminato di punti quotati, b: TIN con sovrapposti i punti quotati di partenza, c: curve di livello sovrapposte al TIN da cui sono state generate.

Tavola 9.9

Curve di livello sovrapposte al T!N da cui sono state generate (v. Figura 9.29).

CAPITOLO

10

Tavola 10.1

Esempio di dati ancillari utilizzati per la realizza zione del programma CORINE. a: mappa topografica /: 25.000, b: mappa dell'uso del suolo, c: foto aerea ( I: 50.000), d: Immagine satellitare: s intesi additiva cui è stato sovrapposto il vettoriale dell'uso del suolo.

Tavola 10.2

La classificazion e della Copertura del suolo del progetto CORINE per l 'Italia. La legenda è riportata nella Tavola 10.3.

Ta vola 10.3

Legenda in 44 classi d ella classificaz ione CORINE-Land Cover: non tutte le classi sono presenti in Italia, essendo la legenda stata predisposta per l 'intero territorio europeo.

Tavola 10.4

La zana del bacino d el Nilo, interessata dal progetto Africovet:

Tavola 10.5

La configurazione della base di dati (MADE) per le risorse ambientali di Africove1:

Eratostene (275- 193 a.C.) matematico-astronomo-geografo-poeta greco

L'Uomo ha sempre profondamente des iderato di esplorare, conoscere e rappresentare i luoghi in cui vive. La stesura di itinerari per raggi ungere luoghi diversi e il censimento dei terreni adatti a ll ' uso agricolo sono stati gli ini zi della Geografia. Con l'ingegno e la lungimiranza di Leonardo da Vinci nel ' 500 questa è poi diventata una scienza. La Geografia, attraverso sistemi di reti, l'analisi dei flussi dei dati, la conoscenza di fatti economici e dell ' organizzazione socio-politica del territorio, oggi è diventata una disciplina autonoma capace di fornire una vis ione sintetica del nostro pianeta e delle complesse relazioni tra fenome ni fi sici e quelli indotti dal l' uomo. Le attivi tà in ambito scientifico di Osservazione della Terra hanno av uto una rapida espansione e, anche se esiste una scarsa consapevolezza del come utilizzare correttame nte le potenzialità a disposizione, settori economici sempre più ampi accedono all' utilizzo di dati ri levati con procedure d i posizionamento satellitare, Fotogrammetria tradizionale e digitale, laser scanning e Te lerilevamento multi e ipe rspettrale da aereo e da satellite con immagini a diverse risoluzioni geometri che, spettrali, radiometriche, temporali, ottic he e radar. I dati e le informazioni c he da essi derivano vengono rappresentati in cartografie di gitali e numeriche e sono gestibili in Sistemi In formativi Territoriali e S istem i di Supporto alle Decisioni spesso basati sullo sviluppo di Sistemi Esperti. Si tratta di grandi quantità di da.ti c he devono essere necessariamente organizzati, eia.borati, gestiti e utili zzati in tempi brevi per una corretta rappresentazione e conosce nza della situazione territoriale. Questi e lementi devono poter essere trattati in modo inte rdisciplinare e interoperabile e la Geomatica (geos: Terra, matica: Informatica) è in grado di soddisfare queste esigenze. Il te rmine Geomatica è nato ne ll ' Uni vers ità di Lavai in Canada ne i primi anni ottanta, a seguito della precisa cognizione che le crescenti potenziali tà offerte dal calcolo elettroni co stavano rivo luzionando le scienze del ri levamento e rappresentazione e che l' uti lizzo del disegno computerizzato (video-grafica) era compatibile con il trattamento di quantità, fino al momento impensab ili , di dati. La rivo luzionaria intuizione di quel periodo fu imperniata sulla georeferenziazione di tutto ciò c he è posizionato sul nostro pianeta. La Geomatica è definita come un approccio sistemico integ rato multidisciplinare per selezionare gli strumenti e le tecniche appropriate per acquisire (in modo metrico e tematico), integrare, trattare, analizzare, archiviare e distribuire dati spaziali georiferiti con continuità inf.Q!mato digitale. In Europa sono in fase di sviluppo iniziative che tengono largamente conto delle discipline e delle tecni che de lla Geomatica per regolame ntare l' uso de ll'Informaz ione Geo-spaziale (Geo-spatial o più semplicemente Spatial lnformation, SI) e per uti li zzare adeguatamente i dati di Osservazione della Terra per la conoscenza e gestione dei rischi ambientali.

2

CAPITOLO I • GEOMATICA

fNSP!RE, lnfra.çtructure of Spatial lnformalion in the F:uropean Community, Infrastruttura di Dati Spaziali (SDI), è in fase di evoluzione e aspira a diventare un a Direttiva del l'Uni one Europea, mentre GMES (Global Monitoring for Environment and Security) ha l'ambi zione di studiare soluzioni per proporre un sistema articolato ma centralme nte coordinato per la gestione globale del rischio a li vello e uropeo. Le di scipline e le tecnic he che costituiscono la Geomatica sono: • Informatica: scie nza de lla rappresentazione e dell'elaborazione dell'in formazione applicabile attraverso lo sviluppo di strume nti tecnologici, l'hardware, e di metodi, modelli e siste mi , il software. • Geodesia: scienza pe r la determinazione del la forma e dimensioni tiella Terra, cioè c he definisce la superfi cie di riferimento ne lla sua forma comple ta: il geoide, e nell a sua forma semplificata: l'ellissoide, e del suo campo gravitazionale esterno in fun zione del tempo. • Topografia: nata con la Geodesia e in essa inserita, è l' insieme de lle procedure del rilievo dire tto del territorio. Ad essa sono affidati gli studi dei metodi e degli strumenti a tti a misurare e rappresentare dettagliatamente i particolari di zone supe rficiali terrestri ne i suoi aspetti di: planimetria: per determinare le posizioni rel ative delle rappresentazioni dei diversi punti del terreno su una medesima superticie di riferimento; altimetria: determinazione delle quote dei punti de lla supe rfi cie terrestre ri spetto alla superficie del geoide; celerimensura: per il rilievo planimetrico e altimetrico di zone superficiali terrestri ; agrimensura: per il computo di aree, spostamento e rettifica di confini, spianamento di zone de lla superficie fisica te rrestre. • Cartografia: fornisce una possibile descrizione della forma e dime nsione della Te rra, dei suoi particolari , naturali e artificial i, media nte rappresentazione grafica o numerica di zone più o meno a mpi e della superficie terrestre secondo regole pre fi ssate. • Fotogrammetria: scienza per determinare la posizione e le forme degli oggetti a partire da misure eseguite su immagini fotografiche degli oggetti stessi. • Telerilevamento: acquisizione a distanza di dati riguardanti il territori o e l' ambiente nonc hé l' insie me dei metodi e delle tecniche per la successiva elaborazione e interpre tazione (questa defini zio ne ben si presta anche per la Fotogrammetria digitale). • Sistemi di posizionamento satellitari: consentono il posizionamento tridimensionale di oggetti anche in movimento nello spazio e nel tempo, su tutto il globo terrestre, con qualsiasi condizione meteoro logica e in modo continuo. • Sistemi di scansione laser: per l'indi viduazione di oggetti e la misura della loro distanza mediante l'uso della radiazione luminosa in un intervallo dello spettro e lettromagnetico caratte ristico delle frequenze ottic he (0,3- 15 µm ). Sistemi Informativi Territoriali (SIT) o Geograplzical lnformation System (GIS): pote nte insie me di strumenti in grado di accoglie re, memorizzare, richiamare, trasformare, rappresentare ed elaborare dati sp azialmente riferiti . - 't> • Sistemi di Supporto alle Decisioni (DSS): costituiti da sistemi in fo rmativi molto sofi sticati , in grado di creare scenari possibili attraverso la modellizzazione deJla realtà e di offrire una scelta di soluzioni al decisore. • Sistemi Esperti: strumenti in grado di imitare i processi cognitivi compiuti dagli espe1ti e la loro abilità a gestire la complessità de l reale mediante processi interdipe ndenti di astra.t.ione, generalizzazione e approssimazione.

E LEMENTI DI G EOMATICA

3

• Web GIS: per la divulgazio ne di dbti geografici immagazzinati su macchine dedicate alla memori zzazione delle basi di dati, secondo architetture di re te a nche molto complesse. • Ontologia: è la specificazione di un a concettualità, cioè la descrizione dei concetti e delle relazion i c he possono esistere per un eleme nto o tra e lementi di un gruppo, o e ntità, o classe; la concettualizzazione è un 'astratta visione semplificata del mon~o che si desidera rappresentare per un certo scopo.

Informatica Jn ogni campo è ormai diffusa la cultura delle scienze informatiche, non solo come strumenti tecnici, ma come me todi , modelli e sistemi c he contribuiscono a mi gliorare il modo di svolgere attività e ricerca. L' Informatica come di sciplina comprende la tecnologia de i calcolatori: hardware e il modo in cui linformazione viene strutturata ed elaborata: software. li ruolo determinante dell ' informazione deriva dalla necessità umana di gestire dati sempre più numerosi e complessi in ogni campo. L'aspetto scientifi co dell ' Cnforrnatica è rimarcato dalla sistematica e rigorosa elaborazione dell'informazione e dalla sempre più sofi sticata automati zzazione. La nostra mente e labora continu amente dati attraverso processi cogniti vi semplici e complessi, spesso senza sforzo apparente. Ogni azione è frutto di un 'elaborazione più o me no complessa con dati continuamente aggiornati in ingresso (inpw), c he vengono e laborati o se mplicemente immagazzi nati per essere rie laborati in un momento successivo, e restituiti come dati in uscita (output), o più semplicemente come informazioni. Quanto più il dato è rappresentab ile tanto più è elaborabi le e in questo senso, si può affermare che il pensiero è una forma di calcolo e che la mente sc.hematizza la realtà attraverso simboli e idee. Quando il problema supera un certo grado di complessità ed è richiesta particolare rapidità, l' attività di elaborazione da parte de ll ' uomo di venta problematica e, in alcuni casi, irrealizzabile. L'organizzazione c he riunisce rice rcatori e professionisti informatici, Associationfor Computing Machinery (ACM) ha dato dell 'lnformatica la segue nte definizione c he evide nzia gli aspetti progettuali e reali zzativi che caratte rizzano l' attività info rmatica: ... "studio sistematico degli algoritmi che descrivono e trasformano l 'informazione: loro teo ria, analisi, progetto, efficienza, realizzazione e applicazione" ... L'algoritmo è una sequenza precisa di operazioni comprensibili ed eseguibili da uno strumento automatico e g li attuali siste mi di e laborazione automatica di dati non sono altro che il risultato di un lungo processo d ' evoluzione di e lementari strumenti, inventati dall ' uomo, di memori zzazione meccanica per semplificare l'esecuzione di calcoli , come abach i e pallottolieri fino alle recenti calcolatrici meccanic he. Gli attuali di spositivi di applicabilità gene rale (generai purpose) sono in grado di memorizzare sia un insieme di dati che un insieme di operazioni o istruzioni, e di eseguire autonomamente tali operazioni in successione operando sui dati . 1 programmi definiscono la successione delle operazioni da compiere esprimendole in un linguaggio formale interpretabile dal calcolatore.

4

CAPITOLO I • GLOMATICA

5

ELEMENTI DI G EOMATICA

Dato e informazione Astronomia

Spesso questi due termini vengono utilizzati q uali sinonimi mentre è profonda la d iffe renza de l loro significato. La sostanziale distinzione tra dato e informaz io ne è paragonabile a lla stessa c he passa tra un insieme apparentemen te d isordinato di le ttere de ll'alfabeto e una parola riconosciuta costituita dalle stesse lettere. Il dato costituisce la base dell ' informazione e in generaJe rappresenta la misura del mondo esterno o di una sua caratteri stica specifica. Solo U J!. sistema esperto (umano o non) è in grado di conve_ifue un dato in informazione, c ioè di leggerlo secondo determinate regol e che lo rendano utile. L'acquisizione di informazioni da parte di un soggetto passa attraverso un processo cognitivo basato sui dati . Nel caso della Geomatic a possono e sse re ide ntificati degli esempi : • una immagine satellitare grezza costituisce il dato e una sua qualunque e laboraz io ne finalizzata genera info rmaz ioni (immagini temati che, carte topografiche); • il dato GPS è una misura di tempo, l' informazione derivata è una posiz ione nello spazio; • i record di un archi vio e lettroni co o da1abase sono dati, la ri sposta a un'inte rrogazione che utilizza i dati ne ll a base di dati genera informazioni.

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Livello medio del mare

Forma e d1menstoni della Terra

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Elllsso1de

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) Fotogrammetria (analogica, analitica, digitale) La Fotogrammetria è la scienza c he si occupa di derivare informazioni metriche relative a un oggetto a partire da sue immagini fotografiche, lasciando alla fotointerpretazione il compito di definirne que lle qualitative (i n tale ambito la visione ed esperienza umana restano fattori determinanti). Con l'introduzione di tecnologie in grado di acquisire immagini in una regione più ampia de llo spettro elettromagnetico rispetto a quello in c ui tradizionalme nte operano le emulsioni fotografiche, la Fotogrammetria e la Fotointerpretazione hanno amp liato il loro significato estendendosi fino al Telerilevamento. E da questo stanno oggi mutuando la forma dei dati (d igitali) e le tecniche per elaborarli al calcolatore. Una definizione comune per Telerilevamento e Fotogrammetria è la seguente: 'Arte, scienza e tecnologia in grado di ottenere valide informazioni degli oggetti fisici e dell 'ambiente, attraverso il processo di raccolta, misura e interpretazione di immagini (fotografiche o digitali) e rappresentazione analogica o digitale dei modelli di energia elettromagnetica derivanti da sistemi di rilevamento (camere fotografiche o sistemi a scansione) non a contatto con gli oggelli'. Sia essa classica o digitale i principali cardini sui quali la Fotogrammetria si basa continuano a restare gli stessi. La propensione all'utilizzo fotogrammetrico dei dati satellitari ad alta risoluzione costringe oggi a rivisitare l'approccio tradi zionale alla prospettiva centrale spostandone i formalismi verso più complesse geometrie proiettive connesse con le modal ità di acquisizione dei satelliti e delle nuove camere aerofotogrammetriche digitali. Compito prioritario de lla Fotogrammetria resta comunque la ricostruzione rigocosa deUa corri spondenza geometrica tra immagine e oggetto al momento dell'acquisizione.

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Telerilevamento li Telerilevamento comprende le tecn iche che permettono di trarre informazioni da una realtà posta ad una nota dista nza dal sensore. Il Teleri levamento passivo si basa sul principio che ogni corpo avente una temperatura superiore allo zero assoluto emette rµdiazione elettromagnetiche di ampiezza e lunghezza d'onda dipe ndenti dalle caratteristiche term iche dell'oggetto stesso. Ogni rea ltà è in grado di riflettere, assorbire e trasmettere una radiazione incidente in percentual i differenti a seconda delle proprie qualità strutturali, chimiche, cromatiche: la rad ianza e lettromagnetica costituisce l' informazione che giunge ai sensori dagli oggetti posti sulla superfi cie terTestre. Se nel Telerilevamento passivo la sorgente di energia luminosa è il Sole, in quello_attivo lo stesso sensore è in grado di emettere energia e lettromagnetica: esso diventa sia emettitore che ricettore di energia. r principi utili zzati in questo ambito sono quelli del RADAR (RAdio Detection And Rf!..ng i11g), palindromo che bene rende l'idea d ell'~ i ssione e successiva registrazione del segnale di ritorno per Ja determinazione della distanza a mezzo di onde elettromagnetiche con lunghezza d'onda compreso tra I mm e I m (mjçroonde). Nell 'uso attuale il termine Telerilevamento, Remote Sensing (inglese), Télédétection (francese), Fernerkundung (tedesco), Perception l?emota (spagnolo), Sensoriamento Remoto (porfughese) indica /'acquisizione a distanza di informazioni qualitative e quantitative riguardanti il territorio e l'ambiente nonché L'insieme dei metodi e delle tecniche per la successiva elaborazione e interpretazione. Se l'acquisizione avviene da distanza ravvicinata si usa il termine Telerilevamento prossimo o vicino (proximal sensing). L' insie me dei parametri misurabil i da satellite e da aereo è assai ampio e le applicazioni dci dati del Teleri levame nto nell 'amb ito delle Scienze Ambientali sono così diversificate da risultare utili in tutto lo spettro degli stud i della biologia, geoch imica, geologia, l'esplorazione in ca mpo mineralogico, il rilevamento delle caratteristiche geomorfologiche, idrologia, oceanografia, geobotanica, la classificazione delle risorse agricole e forestal i, la catalogazione e l' individuazione degli stress ambienta li , gli stud i di inquinamento ambientale, il controllo continuo del territorio. D'altra parte, dal mome nto che con il Telerilevamen to non viene raccolta nessuna informazione diretta sull'ambiente, le informazioni elettromagnetiche vanno convertite, attraverso la creazione di appropriati modelli multidisciplinari, nella stima delle variabili chimiche, fisiche o biologiche investigate. U successo o il fall imento dell ' util izzo del Telerilevamento nel valutare le alterazioni ambien ta li , dipendono quindi dai modelli e algoritmi sviluppati e utilizzati per estrarre i parametri ambientali dal continuum di dati ottico-spettrali raccolti dai sensori e dal confronto con ele me nti di verità a terra. La raccolta e la d istribuzione delle informazioni è resa possibile dallo sviluppo delle tecniche re lative ai sensori , alla trasmissione a distanza dei dati e alla loro elaborazione. I sensori consentono la misura a distanza, basata essenzialmente sul comportamento delle superfici dei corpi relativamente alle onde e le ttromagnetic he nel visibile, nell' infrarosso e nelle microonde; tali misure sono indi rizzate al ri conoscimento indiretto della struttura degli elementi territoriali o al rilevamento di alc une caratteristiche fisiche come la temperatura o la distribuzione spaziale di un e lemento. ln questo senso il Telerilevamento consente sia un'ana lisi qualitativa e descrittiva delle immagini, sia un'analisi quantitativa eseguibile, a volte, automaticamente. Benché esistano varie limitazioni all'uso del Telerilevamento, tale tecnica ha avuto un notevole incremento sia nel numero delle missioni che delle risoluzioni spaziali, temporali, radio-

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metriche e spettrali ottenibili accrescendo il suo ruolo nella pianificazione territoria le e nella gesti one delle risorse ten-estri per lo studio e la compre nsione di fe nome ni in a ltro modo non investigabili e pe r il controllo de lle dinamiche ambie ntali. Quando è necessari o un aggiornamento tematico delle variazioni tra due distinti momenti, su un a superficie anc he ampia il Telerilevamento è insostituibile. I dati sate llitari vengono raccolti con periodo di rivisitaz ione vari ab ile sull a stessa area da poche ore a qualche settimana. Questo dà la possibilità di redi gere cartografia tematica aggiornata, il cui unico limite è rappresentato dal vincolo che la risoluzione spaziale de llo strumento di ripresa utilizzato impone alla precisione geometrica della mappa stessa.

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Sistemi di Posizionamento Satellitare I Sistemi di Posizionamento di punti sull a superficie te rrestre hanno trovato concre ta applicazione in Topografia e Cartografia, dopo essere stati ini zialmente utilizzati nel ca mpo de.Ila navigazione.

Essi consentono_il_posizionamento tridimensionale di oggetti anche in movimento nello spazio e nel tempo, su tutto il globo terrestre, con qualsiasi condizione meteorologica e in modo continuo. Sono basati sulla ricezione di segnali in banda radio emessi da satelliti artificiali per le telecomunicazioni . L' utente a ten-a deve essere equipaggiato con uno strumento costjtui~ un'antenna e un ricevitore, più o meno sofi sticato e costoso in fun z ione dei li velli di accuratezza delle mi sure raggiun gibili ,~grado di determinare le coordinate geocentriche (WGS84) di qualsiasi punto della superficie terre~tre. Conoscendo la posizione dei satelliti, le cui orbite ~ono riferite al sistema geocentrico di riferimento WGS84, le coordinate geocentriche possono essere successivamente convertite in altri sistemi.di riferimento direttamente dal ricevitore che dunque fornisce un eosizionamenttftridimensionale (3D). I La determinazione de lla posizione di un punto è possibile calcolando le distanze tra sate lliti e ricevitore, determinate in modo indire tto attraverso misure di tempo o di fase sfruttando caratteristiche differenti del segnale emesso dai satelliti e ricevuto dal ricevitore. La natu ra di tale segnale risulta definita dal sistema d i posizionamento c ui c i si riferi sce. Attualmente due costellazioni di satelliti, progettate e messe in orbita dai due ex blocchi politici mondi ali (USA e URSS), garantiscono misure di questo tipo: • il sistema statunitense NAVSTAR GPS, NA Vigation Satellite Timing And Ranging Global

Positioning System; • il GLONASS, Global 'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, funzionante e gestito dalla Russia. Anche l'Europa sta realizzando un propri o sistema di posizionamento globale alternati vo .a quelli americano e rus so con il chiaro intento di ridurre la d ipende nza dell'Unione Europea soprattutto dal sistema americano e per conseguenti ragioni strategiche ed economiche. l i 19 luglio 1999 il Concilio d'Europa ha adottato una risoluzione che inaugura iJ cammino del sistema Galileo in collaborazione con l' Agenzia Spaziale Europea (ESA). Questo sistema è progettato per avere completa complementarietà con gli esistenti GPS e GLONASS.

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Scansione laser Fra le di scipline del rilevamento, acquista un pa1ticolare significato la tecn ica della scansione laser, o laser scanning, perché ha tutte le prerogative per rivoluz ionare il settore in virtù della completezza delle info1mazioni prodotte, della precisione conseguibil e e J ei livelli di automazione e di produttività che la caratterizzano.

A partire da una sorgente laser, fissa o in movimento, terrestre o aerea, attraverso il rilevamento polare di un numero elevatissimo di punti circostanti la sorgente e della risposta radiometrica di ciascuno di essi, è possibile ricostruire, quasi al continuo, l'immagine tridùnensionale dell'oggetto o della superficie di interesse. La scansione laser rappresenta quindi una significativa evoluzione di alcuni aspetti de.Ila Fotogrammetria, in quanto fo rnisce direttamente il modello tridimensionale di una superficie che tradizionalmente si ottie ne dall ' elaborazione stereoscopica delle coppie di immagini bidimensionali riducendo al minimo l' intervento degli operatori per la quasi totale automazione del processo. La tecnica presenta specifici aspetti tecnologici e informatici che aprono a molteplici possibili tà applicative nel rilevame nto terrestre e da aereo. L'anello debo le della catena è rappresentato dalle necessarie operazioni d i fi ltraggio per ridurre e selezionare l'enorme mole di dati c he il sistema laser raccoglie, util e per ricostruire modelli digita li delle superfic i (DSM) e le caratteristi che geometriche de ll 'edificato.

Sistemi Informativi Territoriali A partire dalla metà degli anni ' 60 è apparsa sul mercato info rmatico una categoria di software per la gesti one e la manipolazione dei dati geografici, i Sistemi Informativi Territoriali (SIT) o Sistemi Informativi Geografici (GIS), que st ' ultimo acronimo comunemente più usato. Se confrontato con lo sviluppo dei sistemi informativi per la gestione dei dati commerciali o fin anziari, il progresso ne l campo dei S istemi Info rmativi Geografici è stato piuttosto le nto. La tardiva introduzione sul. mercato dei GIS può e sse re spiegata con il fatto che linformazione da archi viare in questi sistemi è più comple ssa e difficile da processare di quella che si trova in altri tipi di sistemi informativi (non geografici): ciò è dovuto sia alla natura stessa dell' informazione di tipo geografico, sia al tipo di operazioni che su di essa si devono eseguire. L' Informazione geo-spazia le o spaziale, (Geo-spatial o Spatial lnfo rmation, SI), è infatti relativa a fe nomen i referenziati in planimetria e in altimetria e interconnessi, quali c ittà, strade, aree amministrative, nonché regioni definite in modo meno preciso qua li boschi o paludi . L' introdu zione e la forte diffusione che hanno avuto negli ultimi anni i GIS, in particolare negli anni ' 90, ha aumentato enormemente la possibilità di elaborazione e di analisi dei d ati racco lti negli archivi di Pubbliche Amministrazioni, di Enti e Istituti di ricerca che si occupano dello studio e della p ia nificazione del territori o. Non esiste un a defi niz ione uni voca di Sistema Informativo Territoriale (SJT), sigla corrispondente all' inglese Geographical lnformatìon System (G!S) e al francese Sistème d'lnformation Géographique (SIG), o ltre ad altre utilizzate per particolari applicazioni , come i LIS , Land Information System, usati per le grandi scale: • Burrough (1986) definisce i GJS come un potente insieme di strume nti atti a raccogliere, memorizzare, richiamare, trasformare e rappresentare dati geori feri ti ;

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• Aronoff ( 1989) considera i GIS come un insieme di procedure, basate sull 'utilizzo di strumenli info rmatici, in grado di memorizzare e manipolare dati geografic i; • Cowen ( 1988) defi nisce un GIS come un sistema per il s upporto alle decisioni su proble mi di caratlere ambie ntale utilizzando dati spazialmenle rife riti. La defin izione che più rispecchia la natura atlu ale dei S iste mi Info rmati vi Territori ali può qu indi derivare dalla sintesi delle enunciaz ioni di Burrough e Aro no ff: 'il Sistema Informativo Territoriale o Geog raplzical lnfonnation System (GIS) è un potente insieme di strumenti in grado di accogliere, memorizzare, richiamare, elaborare, trw.formare e rappresentare dati spazialmente riferiti '.

Sistemi di Supporto alle Decisioni e Sistemi Esperti L' enunciazione di Cowen apre a una potente evoluzione de l G TS, cioè il suo utilizzo per lo sviluppo d i Sistemi di Supporto alle Decisioni (DSS). La de fini zione c he meglio ri assume l'evoluzio ne dei S iste mi Info rmati vi Te rritoriali può qu indi derivare dalla sintesi de lle enunc iaz ioni di Burrough e di Cowen: un sistema di supporto alfe decisioni (DSS) è un p otente insieme di strumenti in grado di accogliere, memorizzare, richiamare, elaborare, trasformare e rappresentare in scenari opportuni dati georeferiti per fornire ai decisori elementi oggellivi di valutazione su problemi di carattere ambientale. T DSS sono quindi molto di più di un mezzo per codificare, me mo ri zzare, ri chiamare dati , perché devono essere concepiti come un mode ll o del mo ndo reale. Usando un DSS si deve poter prevenire e prevedere una seri e di fenome ni legati al territori o e poter esplo rare tutto l' insie me dei possibili sc~i ad essi legati o tte nendo un a visio ne delle co nseg ue nze. Per esempio la capac ità di prevedere quando si verifiche rà un'eruzione vulcani ca o un'allu vio ne, che intensità avrà o quale area ne sarà interessata, può ai utare ne lla de fini z ione di un piano di evacuazio ne della popo lazione de lle zone pote nzialme nte interessate.

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Questa differenza si riperc uote anche sulle espressioni Sistema Informativo Terri toriale (SlT) e Sistema Informati vo Geografico (G IS). Ne l Mo ndo, di nuovo, è comunemente accettato il termine G IS. Util izzando entrambi numerosi strume nti tecnologic i di rappresentazione oggi di sponibili, ed essendo entrambi impegnati ne ll a descrizione e rappresentazione delh.1 superficie terrestre, l' impressione è che queste divergenze c ulturali progressivamente si stiano colmando per integ rare le rispettive fondamentali conoscenze. ln questo Volume si farà spesso rife rimento a lla Spatial lnformation (ST) che rende l'idea dello spazio in cui viviamo sempre pi ù mi surato, descritto e rappresentato nelle sue tre dimensioni.

Geografia La Geografia possie de una specific ità pro pria e una autonom ia epistemologica che le consenLOno di o ffri re validi strume nti pe r la comprensio ne della realtà terrestre. Lo studio geografico si a llarga su una gamma vastissima di fe nomeni naturali e antropici. La Geografia, infatti, parte ndo da risultati raggiunti dalle scienze fisiche e umane, realizza una trama interpretativa di sintesi tesa ad analizzare relazioni, cause, effetti, tendenze evol utive nei casi concreti esaminati. La Geog rafia può dare un va lido apporto in ogni aspetto del quadro g lobale/locale a fro nte di una comunicazio ne sempre pi ù intensa e nello stesso tempo generica. Ne deriva un apporto qualificante e costrutti vo pe r impostare e realizzare una corretta politica ambientale e territoriale (figura 1.2).

Informazione Spaziale Con la presentaz io ne dell a proposta di Direttiva del Parlamento E uropeo e de l Consig li o Europeo che isti tuisce una lnfrastructure for Spatial Information in the Community (IN SPIRE) si introduce in modo uffic iale il termine Informazione Spaziale, intesa come informazione relativa al G lobo terrestre nello spaz io tridimensio nale. Nel Mondo è mo lto utilizzata anche la definizio ne comune di Geog raphic Information (G I) per indicare tutto ciò che concerne con il pos iz io name nto tridimensionale e la georefere nziazio ne di oggetti posti sul nostro pianeta. ln Ita lia si usano spesso come sinonimi i termini Informazione Territoriale e Informazione Geografica, pur es istendo percorsi culturali diversi c he impongono una di stinzione tra questi due termini. Le culture Geografica e Territoriale si differenziano sostanzia lme nte per via dei percorsi formati vi, prevale nte mente ,uni versitari, che si intraprendono: umani stic i o scientific i, permanendo una netta separazio ne in Italia tra gli studiosi d i Geografia Umana e coloro che misurano il Territorio.

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Figura 1.2 La ruota della Geografia.

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La Geografi a antropica studia le condizioni de ll ' uomo abitante sul territorio e le re lazioni fra le società umane organizzate e gli ambienti naturali o già umanizzati , nel geo-sistema planetario e nei singoJj ecosistemi a differenti scale. A ciascuna di esse corrispondono percezioni, interaz ioni, gerarchie e sviluppi di versi; la locali zzazione di qualunque feno meno non può dunque limitarsi ad un 'analisi assoluta ma va relativ izzata nei confronti di situazioni viste a raggio crescente. La stessa non va ridotta a lla sola posizione di un luogo, bensì va estesa ai concetti di distribuzione, associazione e speciali zzazione spazia le. Così anche la distanza può essere non solo metrica ma intesa anche come d istanza temporale, economica, sociale (Morra, 1998).

Ontologia All ' Ontologia è riservato un piccolo spazio ne l Volume, in questo Capitolo , per via dell ' interesse che nella Commissione Europea, e in particolare nell' ambito de ll'lnformaz ione Spaziale, sta assumendo con l' intento di contribuire a rimettere o rdine ne lle terminologie e definiz ioni c he con il rapido sviluppo della Geomatica si utilizzano in modo improprio. Il termine Ontolog ia genera molte controversie nelle discussioni sull'Intelligenza Artificia le (Al). Esso ha seguito un lungo percorso ne lla storia della filosofia con particolare riferime nto alle questioni relative a lla scienza in quanto fatto storico e in quanto modalità di espressione della razionalità umana. È molto spesso confuso con Epistemologia ed è pertanto utile esplicitare il significato filosofico dei due term ini: • Epistemologia: lo studio, sostenuto dall 'esame critico, de lla natura e del valore della conoscenza scientifica; ~ Ontologia: chiamala successivamente metafi sica, è una dottrina filosofica relativa ai caratteri unive rsali del supremo (Dio), corrispondente alla prima filosofia de l più maturo Ari stotele. L'Ontologia è La specificazione di una concettualità ed è la descrizione dei conce/li e delle relazioni che possono esistere per un elemento o tra elementi di un gruppo, o entità, o classe. 11 comune denominatore, di coloro che si sono c imentati con queste tradi zioni di pensiero, è che l'elaboraz ione di teorie de lla conoscenza significa occuparsi della storia delle conoscenze scientifiche e provvede allo sviluppo e il conseguente impatto sulla società e il pianeta. C iò c he però è importante compre nde re è a cosa serve l' Ontologia. Nell'ambito della Geomatica sta assumendo un ruolo la definizione di onto logie atte a lla condi visione e al riutilizzo de lla conoscenza, cioè utili per fare assunz ioni ontologic he. U n'assunzione ontologica è un accordo per usare un vocabolario (ponendo delle questioni e facendo delle asserzioni ) in un modo consistente, ma non completo rispetto alla teoria specificata da un ' Ontologia. Si costituiscono degli ele menti c he rispondono a dei princ ipi ontologici prefissati. In questo modo le ontologie implementate consentono di condi videre la conoscenza con e tra questi e le me nti. La formale rappresentazione della conoscenza è quindi basata su una concettuali zzazione: da una parte gli oggetti, i concetti e altre entità che vengono assunti di esistere in un a certo ambito di interesse e dati ' altra le relazioni che si instaurano tra loro. La concettualizzaz ione è un' astratta visione semplificata del mondo che si deside ra rappresentare per un certo scopo. Ogni conoscenza di base, ogni sistema basato sull a conoscenza ed ogni siste ma esperto è guidata da una concettuali zzazione esplicita o implicita. In Intelligenza Artific iale ciò che esiste può essere rappresentato. Quando la conoscenza in un certo ambito è rappresentata con un formalismo descrittivo, il gruppo di oggetti che possono essere rappresentati viene defiruto come universo del discorso. Le relazioni descrivibil i

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che possono occo1Tere tra oggetti apparte nenti ad uno stesso gruppo sono definite ne l vocabolario con il qual e un programma basato sull a conoscenza rappresenta la conoscenza stessa. Pertanto, nel contesto dell 'Inte lligenza Artifi ciale, è possibile descri vere l' Ontolog ia di un programma definendo un gruppo di termini rappresentativi per que lla applicazione. Jn un ' Ontolog ia così concepita, le de fini zioni assoc iano i no mi di e ntità ne ll ' uruveno de l discorso (per esempio c lassi, re lazio ni, funzioru , a ltri oggetti, etc.) con un testo descrittivo con l'esatto signi ficato dei tennini, che assume assiomi formal i, c ioè impone limitazioni a lle possibili interpretaz ioni e uso de i termini stessi. Da un punto di vista formale, l' Onto logia è la de fini z ione di una teori a logica. L'esempio più semplice di Ontologia è la de fini zione tassonomi ca gerarchica di c lassi in una legenda (es. CORINE fandco ver).

Il Geomatico L'accresciuto interesse nel campo de ll ' Info rmazione S paziale, la complementarietà, l' integrazione e il sine rg ismo tra le discipline e le tecniche c he la c aratterizzano, ha nno recentemente portato a delineare una nuova figura professionale: il Geomatico. Si avverte sempre più concretamente la necessità di dover forni re una suffic ientemente convincente motivazione culturale, per la conoscenza scie ntifica e tecnologica nelle di scipline che si occupano de l ril evamento e del trattamento dei dati, de lla loro restituzione, avendo come obbiettivo la rappresentaz ione del te rritorio e il supporto alle decisioni. Una figura professionale di questo tipo esiste nel nord America dag li iniz i degli anni '80 e in alcunj paesi d ' Europa si sta progressivame nte afferma ndo: è l'evoluzione de l Chartered Surveyor nei paesi d i lingua ing lese, del Geométre Expert in quelli fra ncofoni, Vermessungsingenieur in que lli di lingua tedesca, Geodetisch lngeniur nei Paesi Bassi. Una lettura attenta dell' itinerario storico e dei differenti percorsi avvenuti nei diversi paesi del1' Unione Europea e non, individua nella Matematica, nella Fisica ed in particolare nell ' Astronomia la comune orig ine, a partire dal seicento, de lle discipline de l rilevamento, e levate poi a scienze collocate nell' Agrimensura. La prima differenziaz ione ha luogo, fra la fine de l settecento e l'inizio de ll' ottocento, ne lla Francia della ri voluzione e dell'impero, quando le discipline de l rilevamento vengono collocate ne lla a llora nascente lngegneria C ivile. Solo nel corso de ll'ottocento, al.tre diffe renziazioni intervengono, in tutti i paesi centro - nord - est europei. In quel peri odo, in Italia, si assiste a lla progressiva scomparsa de lle di scipline del ril evamento dal mondo delle Scienze M atemati che, Fisiche (e Naturali) e al loro progress ivo inseri me nto ne ll'ingegneria Civile (Sei vin i, 1997). Negli ultimi decenni lo sviluppo de lle di scipline del rilevamento è stato prorompente: dalla Geodesia spazia le a lla Topografi a di precisione, dalla Fotogram me tri a a l Te le rilevame nto, dalla Cartografia nume rica a l trattame nto delle osservazioni, ai Sistemi Informativi Te rritoria li e S istemi di Supporto alle Decisioni. Le Regioni e le Provi nce, oltre agi i storici Enti Cartografici de llo Stato, hanno assun to responsabilità istituziona li per la Cartografia e il problema dell a certificazione di qualità (tanto ne l rilevamento, quanto ne lla restituzione) è in costante e progressiva estensione. Le prospe tti ve professionali per l' Esperto del Rilevamento e del Controllo sono quindi in continua e prog ressiva c rescita. Si può pertanto facilme nte pro nosticare l' emergere rapido, costante e progressivo della fi gura professio nale del Geomatico c ui potranno corrispondere occasioni di lavoro soddisfabili con adeguata e seria educazione e formazione di qualità.

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CAPITOLO 2

ELEMENTI DI CARTOGRAFIA

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La Cartografia, c he forn isce una possibile descrizione della fo rma e dimensione della Terra e dei suoi particolari naturali e artificiali, è di fondamentale importanza PFr tutti i dati di tipo geografico, che presentano come caratteri stica principale un attributo spaziale, cioè le coordinate del dato. I fenomeni e i fatti (es. i luoghi) geografici descrivibili a partire dal loro posizionamento sono geore ferenziabili e la Cartografia si occupa appunto dell'archiviazione e dell a rappresentazione nelle carte di dati ad essi riferiti . ( Le funzioni di base della Cartografia sono: I • dare una conoscenza del territorio sia puntuale, basata sull 'osservazione di ogni s ingo lo oggetto, che generale, per una visione d'insieme; • consentire di sviluppare processi log ici di tipo deduttivo e induttivo in funzione di relazioni di concomitanza, vicinanza, frequen za, ... ; \ • fungere da supporto di base per classificazioni, pianificazione, progettazione e gestione del ""' territorio. Una caita è una rappresentazione piana, aQProssimata, ridotta e simbo lica di parte o di tutta la superficie terrestre. Essa è eseguita secondo sistemi , o rappresentazioni, che consentono di trasformare le figure ellissoidiche in figure piane e che, mediante segni appropriati, riescono a riprod urre tutti i dati di forma e di misura degli ele me nti del te rrenQ, o la rappresentazione in posizione relati va dei fe no meni concreti o astratti localizzabili nello spazio. U na carta costitui sce un prodotto della Cartografia reali zzato grazie allo sforzo comune di _di verse discjpline e tec nicht:. In particolare, le fasi del processo cartografi co possono essere così schemati zzate: • rilevamento, selezione e annotazione dei dati spaziali (fase I); • omogeneizzazione o standardizzazione dei dati ; • generali zzazione dei dati; • trasfo rmazione dei punti c he a ppartengono alla supe rficie te rrestre nei punti corri spondenti su una superficie di riferimento (geoide: altimetri a, ellissoide: planime tria) in modo che vi sia tra essi una corri sponde nza biunivoca. Si opera pertanto un ' approssi maz ione dell a superficie te rrestre e del ca mpo della gravità, scegliendo di conseguenza il sistema di coor- , dinate di riferime nto; • rappresentazione di tale superficie sulla carta secondo un sistema di riferimento cartografico, cioè delle equazioni matematic he che consentono di rappresentare la superficie terrestre nel piano della carta o sull o schermo; • rea lizzazione della carta, definendone la tipologia, la legenda e i simbo lismi. La restituzione fotogrammetrica, prima, il tele ri levamento , in te mpi più recenti, e il rilevame nto con siste mi a scans ione laser da aereo in un prossimo futuro, hanno sostituito o potrann o sostituire il rileva mento diretto (fase I), semplificando e in parte modificando la successione delle fasi elencate. Va inoltre rilevato che il termine Cartografia è spesso utilizzato con due significati : • riferendosi aUa disciplina; • con richiamo alle elaborazioni, cioè le carte ri sultato di studi e fasi di lavoro spesso complesse.

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CAPITOLO 2 • ELEMENTI DI CARTOGRA~lA

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Nel Capitolo vengono affrontati, con un approccio di tipo descrittivo, le problematiche connesse alla determinazione della dimensione e della fo rma della Terra, i sistemi geodetici di riferimento e le rappresentazioni cartografiche. Si riportano infine elementi per la lettura delle carte topografiche e l'interpretazione dei paesaggi.

Storia della Cartografia La storia della Cartografia è in realtà la storia incrociata delle discipline che la definiscono. Di seguito non è ripo11ata un'esaustiva rivi sitazione, ma solo aJcun i dei. fatti e dei personaggi (filosofi, astronomi , matematici, geografi, etc.) che hanno lasciato segni inde lebi li, con I' intenzione di far comprendere come il problema della descrizione e della misurazione della Terra abbia sempre interessato gli studiosi delle diverse epoche con avvicinamenti, in particolare nel mondo antico, anche clamorosi alle conoscenze attuali. Le grandi civi ltà preistoriche e storiche del Vicino e Medio Oriente offrono indicazioni del1'esistenza remota di immagini cartografiche. Tra le più antiche, e uni co nel suo genere, è stato trovato nella Mesopotamia settentrionale un graffito su tavoletta di argilla rappresentante l'Eufrate e un affluente, le montagne che limitano la Mesopotamia a nord, le città rappresentate da un piccolo cerchio (Figura 2. 1). In Valcamonica, abitata dagli antichi Camuni, sono state catalogate oltre 170.000 figure rupestri nel periodo compreso tra il paleolitico e l'età del ferro. Tra questi graffiti, in una complessa

ELEMENTI DI GEOMATICA

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scansione cronologica, vi sono dei petroglifi, definibili mappe, che sembrano descri vere, in ' pianta e con molti particolari , l'articolata disposiz ione di strutture insediative e produttive (Figura 2.2). G li Egiziani delinearono, tra l'altro, piani catastali per il riconoscirnento dei confini di proprietà deg li appezzamenti coltivati e un piano topografico di un giaci1 hento aurifero nella Nubia, conservato nel Museo Egizio di Torino, risalente a l 1200 a.e. Nel periodo greco e romano diversi studiosi si cimentarono ne llo studio del nostro pianeta formulando diverse ipotesi e proponendo soluzio1ù per la sua rappresentazione. Una prima Cartografia concepita a fini cultura li ci perviene da reperti dell 'antica Grecia. La prima carta del Mondo, intesa a rappresentare lecumene, c ioè la terra em ersa abitata dall' uomo, si attribuisce a un filosofo de.Ila scuola ionica sviluppatasi sulla costa egeica dell'Asia Minore, Anassimandro di Mileto, discepolo del filosofo e matematico Talete (624-546 a.C.), che la delineò a meta del VI secolo a.C. (Figura 2.3), seguito da Ecateo nel V secolo a.C. La Cartografia inizia il suo cammi no scie ntifico nel IV secolo a.C., sempre ne.Ila Grecia classica. Dicearco da Messina (IV secolo a.C.), filosofo della generazione successiva ad Aristotele, introdusse per .la prima volta un elemento matematico di costruzione, costituito da una linea ovest-est, cioè un parallelo, passante tra le Colonne d'Ercole, la Sicilia, Atene, Rodi, il Tauro, il Monte Imaus, luoghi ritenuti a lla stessa latitudine. Fu introdotto così il concetto di sistema di riferimento: il diaframma con il significato di parallelo e la perpendicolare nel senso di meridiano, mentre l'origine degli assi era in Rodi.

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Figura 2.1 Mappamondo su tavoletta di argilla (a) ad opera dei Babilonesi raffigurante la Mesopotamia (? 2400-2200 a.C.) conservata al British Museum di Londra. Rappresenta il globo terrestre, allora conosciuto, come un disco piatto circondato dalle acque (b).

Figura 2.2 Riproduzione del petroglifo camuno: la mappa preistorica di Bedolina in Va/camonica ( J400 a.C. circa).

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Illuminazione solare

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Figura 2.3 La Terra secondo la rappresentazione, ricostruita, di Anassi111a11dro di Mileto nel VI secolo a.C.

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ELEMENTI DI G EOMATICA

CAPITOl..O 2 • E LE.\1ENTI DI CARTOGRAFIA

Figura 2.4 La misura di Eratostene (lii secolo a.C.) per la determinazione della circonferenza terrestre.

Eratostene di Cirene (T!I secolo a.C.) attorno al 250 a.C. riuscì a calcolare con buona approssimazione la circonferenza della Terra osservando la differenza angolare fra i raggi del Sole in due punti della superficie terrestre. Questo, tra gli studi e le teorie proposte nel passato, è senz'altro il metodo più affasc inante, sia per lucidità di ragionamento che per la sorprendente precisione, nonostante le limitate conoscenze dell'e poca. Eratostene infa tti stimò la circonfere nza dell a Terra osservando la d iffe re nza angolare fra i raggi del Sole in due punti della superficie terrestre sull a base delle seguenti conoscenze: • il Sole a mezzogiorno, durante il solstizio d 'estate, era esattamente sull a verticale della città di Sierre in Egitto, vicino all'attuale Assuan. A questa conclusione Eratostene era g iunto osservando che il Sole si rifletteva direttamente in fondo a un pozzo in città. Siene si trovava infatti su quello che è oggi definito Tropico del Cancro; • lo stesso giorno e alla stessa ora, ad Alessandria d' EgiLto, distante circa 5.000 stadi ( 1 stadio: - 185 m) a nord di Siene, così come calcolato dallo stesso Eratostene, un asta verticale piantata su un terreno in piano proiettava un ombra la cui dimensione indicava una inclinazione de l sole pari a 7° 12'. La deduzione fu c he se le due re tte passanti rispettiva mente per il centro' del pozzo di Siene (indicata con S in Figura 2.4) e il prolungamento dell 'asta pi antata ad Alessandria (A in Figura 2.4) si incontravano al centro della Terra, la distanza tra le due città era l/50 della circonferenza (360° : 50 = 7° 12'): cioè 250.000 stadi (5.000 x 50) corrispondenti a 46.250 km, solo il 15% in più di quanto misurato oggi. Me ntre si può discutere all'infinito sui numeri, le unità di misura, le convei:sioni e i ri sultati dedotti, null a si può eccepire sul metodo che è sorprendente mente ingegnoso.

Tra le opere di Eratostene si annovera una descri zione geografica del Mondo, divisa in regioni e ampliata nell a conoscenza geografica in senso ovest-est, con perfezionamento del siste ma di costruzione avviato da Dicearco, con di verse linee di riferimento a distanze non ugual i, coincide nti con i paralleli che passano per luoghi noti, e una serie di linee perpendicolari alle precedenti , anch'esse con spazi disuguali , avvicinandosi così a:1concetto di reticolo geografico (Figura 2.5). In seguito Ipparco di Nicea (TI secolo a.C.) risolse il problema delle coordinate di un punto sull a Terra attraverso l' uso di metodi astronomici, compilando un catalogo di oltre 800 ste lle, c he ripartì in sei classi di grandezza apparenti e misurando la d istanza dalla Terra all a Luna, ottenendo un ri su ltato molto vic ino al vero. Soste ni tore del geocentrismo costruì la base dcl sistema tolemaico per i suoi studi nel campo de lla Geografia e della Cartografia; introd usse l'uso delle coord inate geografiche e il metodo d i rappresentazione stereografica (Figura 2.6). Le sue ope re, quasi tutte perdute, sono state tramandate attraverso gli scritti di Tolomeo. Le conquiste romane e l'allargamento del commercio ampl iarono le conoscenze geografiche, ma de lle figurazioni del tempo riportate su papi ro e pergamena ci è pervenuto quas i nulla. Rimane tuttavia traccia nella seconda metà del I secolo a.C. del corpo degli agrimensori deputati alla misurazione dei te rreni e all' operazione della centuriazione per la misurazione de l territorio assoggettato a Roma lungo le grandi vie, che diedero o rigine alla prima vasta operazione d i ril evamento del territorio. I romani no:i aggiunsero null a alle bas i teori che de i Greci, sulla forma della Terra e le sue dimensioni, la distribuzione delle terre e delle acque, i modi d i rappresentare in piano la super-

F.RTTJf. E.0

Figura 2.5 La carta di Dicearco (anno 300 a.C.) presenta il primo riferimento a un sistema di assi.

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ELEMENTI DI GEOMATICA

CAPITOLO 2 • ELEMENTI DI CARTOGRAFIA

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Figura 2.7 Carta del Mondo nella figura zione di Tolomeo ( 150 d.C.): rappresentazione conica e graduazione dei meridiani (orlo superiore di 5 in 5 gradi) e dei paralleli (orlo destro di 5 in 5 gradi). .

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Figura 2.6 La carta di Ipparco (150 a.C.). Prima carta in rappresentazione geometrica e reticolato geografico equidistante (misurato in stadi, circa 185 m attuali).

ficie sferica. Si attribu isce ad essi, nel campo della Cartografia, una grande praticità testimoniata da un famoso cimeli.o risalente al 111 o IV secolo d.C., ma che conosciamo da una tarda copia medievale elaborata dal geografo Castorius nel XIII secolo: la Tabula Peutingeriana, (Tabula: carta geografica in epoca romana, Peutingeriana: da Konrad Peutinger che la ritrovò) che rappresenta su una striscia, lunga 6,80 me larga 34 cm, i lineamenti delle terre dell'Impero Romano, dalla Penisola Iberica al Mar Caspio, con le indicazioni di strade, centri abi tati, distanze tra essi, fiumi, monti, etc. Nel frattempo Marino di Tiro (I secolo d.C.), seguendo le intuizioni dell'astronomo Ipparco, utilizzò per primo una griglia di linee di riferimento, cioè meridiani e paralleli, rettilinee ed equidistanti aprendo alla costruzione delle carte basata sul reticolo .geografico, costituito da linee direttrici , le quali permettono di fissare sull a carta i vari punti in rapporti di giacitura simili a quelli reali. Questo carattere geometrico è particolarmente evidente nel mappamondo di Claudio Tolomeo (90- 168 d.C.), l'unico pervenuto dall'antichità, basato su un metodo matematico e geometrico per la rappresentazione della Terra, cioè su una lunga serie di dati di longitudine e di latitudine, riportati su una rete di proiezione conica, con paralleli circolari e meridiani convergenti verso i poli (Figura 2.7 e Tavola 2.1).

Le successive invasioni barbariche determinarono una perdita di gran parte delle conoscenze maturate nell'antichità, con alcuni reperti che si salvarono grazie alla perizia e conservazione fatta dagli. arabi e dai monaci cristiani nel periodo compreso tra il V e l'XT secolo. La rinascita dell ' interesse per la Cartografia avvenne in Sicilia nel XII secolo ad opera dell'arabo Abu Abd Mhammad, meglio conosciuto come Edrisi o al-Idrisi , col quale la Geografia incomi nciò a rivelarsi su conoscenze dirette e precise che sino ad allora si riducevano a concetti immaginari influenzati da convinzioni religiose. Ne è prova il mappamondo che ·Edrisi disegnò. L' in venzione della bussola diede alla Cartografia una nuova spinta, con i viaggi di Genovesi e Veneziani all' interno del!' Africa e fino al Sudan con Spagnoli e Portoghesi. Un altro personaggio importante nella storia della Cartografia è stato Muhiddin Piri lbn Haji Mehmet (o Memmed), nato a Oelibo lu (Gallipoli) tra il 1465 e il 1470 e morto a li Cairo, Egitto nel 1554. Era un ex pirata turco, con ogni probabilità di origine greca, divenuto ammiraglio (Re 'is in arabo) della flotta della Mezzaluna, vissuto ai tempi di Solimano II il Magnifico (1520-1566). Egli aveva un interesse passionale per la sua collezione di vecchie mappe ed era considerato un esperto delle terre e delle coste del Mediterraneo tanto che nel 1523 Solimano gli commissionò un atla nte che resta una pietra miliare nella storia della Cartografia moderna. Parti di questo atlante sono ancora oggi conservate presso il museo di Berlino. Questo libro di navigazione era il Kitabi Bahriye (Il Libro del Mare), dove Piri Reis descriveva tutti i dettagli delle linee costiere, delle spiagge, delle correnti, delle baie, degli slrelli e dei bassifo ndi del Mediterraneo e del Mar Egeo.

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ELEMENTI DI GEOMATICA

CAPI TOLO 2 • ELEMENTI DI CARTOGRAFIA

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Re is, continuame nte alla ricerca di nuove informazioni, riuscì ad avere da un marinaio che aveva nav igato con Cristoforo Colombo delle mappe i cui tratti sulla pergame na erano precisi sebbene ingialliti . Avendo libero accesso alla Biblioteca Imperiale di Costantinopoli nella quale si trovavano numerose antic he carte, mai rinvenute in seguito, l' Ammiraglio Piri Reis compilò una mappa mondiale nel mese del bealo Muharrem, nell'anno musulmano 919, corrispondente al periodo del cale ndario gregoriano che va dal 9 marzo al 7 aprile 15 l 3 d.C. e furono donate dal l'ammiraglio aJ sultano Solimano I il Crudele ( 151 2- 1520) nel 15 17 . Questa carta, ritenuta una delle primi ssime mappe mondiali, se non la prima in assoluto, che mostrava le Americhe, è sic uramente la più precisa carta redatta nel XV I secolo (v. Tavola 2.2). La vera grande innovazione ini zia comunque nel 1569 ad opera del M ercatore che per la prima volta, adottando procedimenti scientifico-matematici, applica una proiezione cilindrica isogona a latitudini crescenti, tuttora nota come rappresentazione cilindrica conforme di Mercatore. li primo vero atlante, inteso come raccolta di carte geog~afic he compil ate siste maticamente, vede la luce nel 1570 ad opera dell ' Orte lio con la collaborazione della maggio r parte dei geografi de ll ' epoca tra c ui molti italiani c he compila ro no le carte in base aJle conoscenze e ai risultati delle ultime esplorazioni. Più in generale nel periodo rinascime ntale furono ripresi g li studi di Tolomeo e la rete di meridiani e paralleli divenne il sistema di riferimento tuttora utilizzato e tra il '500 e il '600 furono introdotti, sempre ispirati da Tolomeo, tipi diversi di proiezioni supportate dal contemporaneo sviluppo degli studi di geometri a e dell'arte pittorica. Abramo Ortelio, nel 1570, predispose il Theat.rum Orbis Terrarum primo atlante mond.i aJe. Gerard Kre mer, ne l 1595 , introdusse la proiezione cilindrica c he tuttora si richiama al suo nome. Snellius (XVJT secolo) introdusse le tecniche trigonometriche per la ri levazione dei punti. Jn seguito, dal XVlll secolo in poi, con riferimento all a cartografia a scala più di dettaglio, si superarono i ristretti confini del rilevamento dell e grandi proprietà nobiliari o delle opere militari fi sse, e si passò alla compilazione dei grandi catasti europe i. Con lo sviluppo di nuovi strume nti ottici venne ro introdotti procedimenti di triangolazione e la misura della lunghezza di un grado a differenti latitudini. Iniziò così la costruzione di carte moderne dove la gran parte dei punti principali veni vano rilevati geometricame nte, ne è un esempio la carta di Francia in scala 1:86.400 eseguita dai Cassini tra il 1744 e il 1815. In tempi più recenti, Lambert (XVIll secolo) e Gauss successivamente generalizzarono l'uso de lle rappresentazioni modificate e nacquero le grandi cartografie nazionali a scala piccola e media ( I : I 00.000 1:25.000), diffondendosi sempre d i più la celerimensura, cioè un metodo completo di rilevamento che ha per oggetto il contemporaneo rilievo planimetrico e altimetrico dcl terreno, basato sull'utilizzo di strumenti topografici più avanzati. Con la nascita dell ' aviazione, alle tradizionali campagne al. suolo si affiancò l'uso intensivo dei ri levamenti aerei. Con l' introdu zione dello ste reorestitutore analogico e il mig lioramento delle tecniche fotogrammetriche e di fotointerpretazione negli anni compresi tra il 1920 e il 1940 si affermò la produzione di carte con l' uso di questi strumenti e metodi. li resto è dei nostri giorni, con lintroduzione dei restitutori analitici e digitali, degli elaboratori elettronici, dcl Telerilevame nto aereo e da satellite, della sensoristica digitale, de lle capacità di gestione ed elaborazione delle informazio ni.

Forma della Terra: Ellissoide e Geoide La dimensione e la fo rma della Ten-a vengono studiate in Geodesia. Le misure di precisione, l'analisi di tempi, d istanze, posizione de lle stelle, forza di gravità, etc. consentono di fornire i dati di base per la produzione di carte. I principi impiegati nella cartogr.lfia della Terra sono validi e applicabili a nche ne lla cartografia della Luna e dei pianeti: Mercurio, Venere, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno, Plutone. Gli uomjn i hanno sempre cercato di conoscere la forma della Terra e, come prima riportato, hanno elaborato diverse teorie. l Babilonesi pensavano che la Terra fosse un disco p.iatto, galleggiante sui mari. Aristotele ipotizzò c he potesse essere una sfera perfetta fluttuante nello Spazio. Oggi si sa che la Terra ha un a forma quas i sferica molto regolare (v. Tavola 2.3); infatti la d istanza tra la maggio re profondità oceanica (Fossa delle Marianne: -11.000 m circa) e la cima più alta (Everest: 8.847 m) è eq ui valente a ci rca 1/322 della di stanza di un punto sul li vello del mare dal centro di massa terrestre. Un mappamondo di l m di raggio avrebbe, in scala, vari azioni per queste due situazioni estre me in profondità e altezza di circa l mm: basso-rilievo e rilievo quasi impercettibili. Di fatto però ogni punto sulla superficie Len-estre, anche nell'ipotesi di considerarla priva di con-ugamenti crosta li e quindi completamente liscia, non è equidistante dal centro della Ten-a e l'attrazione di gravità diffe risce da punto a punto a causa: • della rotazione terrestre attorno al suo asse, che genera una forza centri fuga (normale al suo asse di rotazione); • dei rigonfiamenti e schi acciamenti ri spettivamente all'Equatore e ai Poli; • della dj versa composizione e densità degli strati più superficiali. La conoscenza corretta del campo gravitazionale terrestre (di competenza della Geodesia e, in particolare, de lla grav imetria) defin isce in modo univoco la superficie di riferimen to per la descrizione de lla Terra: il geoide (Figura 2.8a). Le linee di forza del campo gravi tazionale (verticali), linee gobbe la cui direzione camb ia da punto a punto, definiscono ne l lo ro insie me il campo stesso e consentono di descriverlo a ttraverso superfici equipotenziali, o di livello (Fig ura 2.8b),_çhe risultano in ogni punto perpend icolari alle verticali. La determinazione della verticale su ogni punto della superficie terrtU.

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1J nuovo orienta mento dell 'ellissoide di riferimento comporta la variazione delle coordinate di lutti i punti ra ppresentati . Dopo le ope razioni di compensazione generale de lle reti, le coordina te dei punti tri gonometrici italiani hanno assunto valori differenti da quelli del sistema nazionale (Roma40). Tra le coordinate di uno stesso punto, nei due sistemi, non vi è alcuna possibilità di definire relazion i analitjche di passaggio. Per consentire un passaggio approssimato sono state redatte carte e tabe lle di correzione sia in termi ni di coordinate geodeti c he ( 'l>r:f'e ~ ~

distanza ~

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ELEMENTI DI G F.OMATICA

Ottico 0,3-15,0 µm I

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Visibile 0,4-0,7 µm I

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Infrarosso: Vicino, Medio e Lonta no 0,7-1 ,3 µm, 1,3-3,0 ~Lm e 3,0-30,0 µm I

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Ultravioletto 0,1-0,4 µm Figura 4.3 Lo pmpaga:: .ione del/' energia ele1tro111ag11etica avviene. alla 1•elocitcì della luce e secondo 1111 modello definito dalla teoria 011d11latoria: la /1111glie-;:,;.a d'onda À è definiw come la dista11:::.a media tra due massimi o due mi11i111i di 1111 onda ed è i111•ersa111e11te proporziona/e alla frequen::.a v.

I II Riflesso 0,3-6,0 µm

II Nel Telerilevamento passivo, i sensori i nstallati sulle strutture di supporto utilizzare sono sensibili a intervalli di lunghezza d'onda comprese tra l' ultravioletto e l ' infrarosso termico, in quello attivo si l avora nell ' intervallo delle microonde con strumentistica radar (Figura 4.4). L e riprese multispettral i comprese tra I 0,4 e 12,5 µm, nel linfrarosso lontano sono defi nite termiche. L'aggettivo termico sta a significare che in questa banda la radi anza raccolta dai sensori è essenzial mente costituita da energia emessa dalle superfici, dipendente, per la legge di Planck, dall a temperatura delle superfici stesse e dal coeffi ciente di cmi ssività €.

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Emesso 3,0-30,0 µm

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Sensori fotografici 0,3-0,9 µm

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Scansione multispettrale 0,3-15,0 µm

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Telerilevamento passivo ottico 0, 1

Sorgenti di onde elettromagnetiche: il Sole e la Terra TI Sole e la Terra sono due realtà fisiche complesse. G l i studi riguardanti i fenomeni radiati vi che li caratteri zzano sono essenziali per l'applicazione delle tecniche di Telerilevamento. li Sole può essere rappresentato come una sfera di gas incandescente la cui superficie apparente (fotosfera) ha un diametro di circa 1,39 x I 06 k m. L a radiazione elettromagnetica emessa dal Sole si estende dai raggi cosmici fino alle onde radio; la gamma dello spettro visibile corri sponde a ci rca i l 50% dell' i ntera energi a emessa dal Sole e raggiunge la superficie terrestre i n circa 8 mi nuti e 30 secondi illuminandola e ri scaldandola. Questa energia proveniente dalla fotos fera è praticamente costante (si registrano va ri azi oni inferiori ali ' I %) e valutabile in 2 piccole ca lorie al minuto per cm 2 di superficie ten-estre ( I 000 piccole calorie corrispondono a I kilocaloria o grande calori a) esposta perpendico larmente ai raggi del Sole (costante solare). L a radiazione solare totale (integrata su tutto lo spettro elettromagnetico) che incide su una superficie norm ale all ' asse Terra-Sole nello spazio vuoto alla distanza Terra-Sol e media un valore di circa 1377 W/ m2 (definito costante solare) con una deviazione standard di 8 W/ m2. li flusso di radiazioni elettromagnetiche emessa dal Sole è complicato dalle notevoli variazioni di temperatura che intervengono tra centro e superficie, e dalla relativa opacità di certe regioni dell ' atmosfera solare a differenti lunghezze d'onda; misurando l'energia solare per una determi-

0,5

11 111

1,0 Lunghezza d'onda [µm]

5,0

10,0 15,0 30,0

Figura 4.4 Intervalli spe11rali del Telerilevamento 01tico e relativa sensibili1à dei sensori fotografici e a scansione multispellrale.

nata lunghezza d'onda, si può ottenere, i nvertendo l' uso della legge di Planck, l 'effettiva temperatura apparente di corpo nero dcl Sole; variando la lunghezza d'onda, si nota che la temperatura oscilla tra un minimo di 4.500 K e un massimo di 9.000 K , con un va lore medio di 6.000 K. Ipotizzando una temperatura dell a fotosfera pari a 6.000 K e considerando che i l comportamento della superficie solare è simile a quello di un corpo nero, dall a legge di Wien si deri va che questa energia viene per lo pi ì:r irradiata (48%) entro la regione del visibi le, tra 0,4 e 0,7 µmdi lunghezza d'onda (v. Tavola 4.3). L a Terra, a una temperatura medi a superficiale di circa 288 K ( 15 °C), irrad ia soprattutto nella banda del l' infrarosso termico, compresa tra 8 e 14 µm con il picco di potenza nei dintorn i di 9,6 µm; contemporaneamente, la facci a esposta al Sole, rinette una parte dell'energia solare incidente.

11 8

ELEMENTI DI G EOMATICA

CAPITOLO 4 • ELt,MENTI DI 1ÈLERILEVAMENTO

Esiste in ogni caso un intervallo spettra le, fra 2,5 e 5 µm , in cui l'energia media me nte emessa da lla superfic ie te rrestre è confronta bile con que lla media me nte riflessa d a lla medesima, ma di origine solare: rilevamenti e ana lisi in questo inte rvallo ric hiedono pe rc iò una parti colare attenzione. L'energ ia e lettro magne tica emessa d al Sole, fonte principa le d i e nergia del Telerilevame nto de lle risorse terrestri , vie ne riflessa dall a superfic ie terrestre nel visibile e ne l vic ino infrarosso, mentre viene e messa e riftessa ne ll ' infrarosso medio ed e messa ne ll ' LR-lontano dalla Terra. Anc he la superfic ie de ll a Terra mostra una sua c urva tipica di exitanza, c he, dato il va lo re de lla te mperatu ra media di circa 300 K, ri sulte rà inoltre inferio re a que ll a de.I So le. La radiazione e lettro magnetica proveni ente dal Sole subisce fe nomeni di attenuazione legati a due cause p rinc ipali : • di stanza tra Terra e Sole; • processi di assorbimento e diffusione che caratterizza no l' atmosfera terrestre. La Terra d ista da l Sole in media 149,6 x J06 km ; da l momento c he l' intensità de lla radi azione inc idente diminuisce con l' in verso de l qu adrato de lla di stanza esistente tra i due corpi considerati, l'e nergia so lare ha un abbattime nto di 2, 16 x 10- s, c ioè arri va aJlo strato esterno dell' atmosfera terrestre c irca 1/200.000 di quanto e messo dal Sole. La radi azio ne inc idente c he giunge a l limite esterno de ll ' atmosfera è d istribuita secondo le percentuali riporta te nella Tabella 4.3 . Tabella 4.3 Quantità percerituali di radiazione solare incidente al limite esterno dell"mmosfera terrestre.

Intervallo di lunghezza d'onda (À.)

[~m]

% radiazione solare incidente

Ultravioletto

uv

À.

Visibile

VIS

0,38 < À. < 0,76

45,7

Vicino infrarosso

NIR (VIR)

0,76 < À. < 2,2

38,3

Medio infrarosso

MIR

À. > 2,2

< 0,38

9,5

6,5

L'energ ia so lare incidente sulla superficie te rrestre cambia in funzione de ll 'ango lazione del Sole; alle nostre latitudini (40°-45°) è massima il 21 giugno, mentre in dicembre si ha la minima disponibili tà di energia (v. Tavola 4.4).

Principi fisici Max Planck, un fisico tedesco insignito de l pre mio Nobe l ne l 19 19, fo rmulò nel 1900 una teori a che introduceva ne ll a fisica a tomica il pos tul ato pe r c ui un a sorgente luminosa no n emette energia in modo continuo ma in modo di scontinuo , ribaltando le certezze de ll 'epoca. Ipotizzò l'esiste nza di granuli di e ne rgia, che c hia mò quanti, ne l senso sostanziale di quantità o dose. Questa teori a fu una vera ri voluzio ne che po1tò allo sviluppo della meccani ca quantistica costruita grazie alle scoperte di He isenberg, de Brog lie e Schrodinger, scienz iati de lla scuola tedesca che ricevettero il pre mio Nobe l per la Fisica, per i loro studi sulla meccanica de lle matrici e sulla teoria ondulatori a de lla luce. Prima di Planck l' universo era co nsiderato

11 9

un meccanismo pe rfetto con azioni e reazioni ben determinate; dopo questi studi esso fu rappresentato come un insieme imprevedibile nei movimenti e negli esiti. Questa teoria rende indi vis ibili lo spazio e il te mpo e a mme tte la possibile coesiste nza in tati fi sici di versi di un 'e ntità come la luce che è a un te mpo onda e corpuscolo. T utti coloro che sono inte ressati a un q ualche aspetto delle sc ie nze fisic he fa nno u o regola rme nte de lla fisica e dell a mecca nica qua ntisti ca. Senza di essa non vi sarebbero stati i semi condutto ri, gli e laboratori e lettroni ci, la scoperta de l D NA o mo lti dei progressi de lla diagnosti ca e de lla te rapia in medi cina. Questa breve introduzio ne vuo le attra rre l'a tte nz ione sulle bas i teo ric he fonda me ntali ciel Te lerilevame nto c he posso no sembrare e nunc iaz ioni a sé stanti ; esse hanno in vece a pplicazione in molti aspetti de ll a nostra vita q uotidiana. Il Te le rilevamento util izza come mezzo di informazione l'Energia Elettromagnetica; le leggi fondamentali della radi azione c he ne de fini scono l'aspetto qu ant itati vo sono le seguenti : • Legge di Kirchhoff: regola la re lazione tra i coefficienti di riOe sione, trasmissione, assorbimento e emissione; • Legge di Planck: de finisce l' andamento de lla potenza emessa dalle superficie in fun z ione de lla lunghezza d 'onda c ui c i si rife risce, para metri ca rispe tto alla te mperatura; • Legge di Stefa11-Bo /tzma1111: fo rni sce la quantità tota le di potenza emessa dalle supe rficie calcolata su tutto lo spettro e lettromagnetico, per ogni temperatu ra; • l egge di Wien: ind ica il va lore de lla lun ghezza d' onda in corrispo nde nza dell' e mi ssione elettro magneti ca massima a una de fin ita temperatura. Dal mo mento c he le leggi fis iche che stanno a ll a base del Te le ril evamento sono valide per le cosidde tte superfic i ideali di corpo nero, è o pportuno descrivere le ca ratte risti che gene rali di tale oggetto fisico. Per corpo ne ro s' inte nde una superfi c ie ideale capace di asso rbire co mpl eta me nte tutte le radi azioni che la colpisco no e di emettere rad iazio ni secondo le leggi d i Planck. In termini esemplificati vi le proprietà de lla radi azione e messa sono indipende nti da lle proprietà de lla sostanza che compone il corpo, cosicché il suo spettro è ti picame nte u ato come esempio pe r stud iare l'e missione di uno spettro continuo. Nel 1860, il fi sico tedesco Kirchhoff dimostrò che un corpo cavo si comporta come un corpo ne ro perfetto se: • le pareti de l corpo sono ma nte nute a te mperatura assoluta costante (te mperatura di corpo ne ro) ; • ne l corpo è praticato un fo ro piccolo rispetto alle dime nsioni de l corpo stesso. ln questa cavità isoterma si verificano fenomeni di dis-eccitazione deg li ato mi che comportano l'emi ssione di e nerg ia e lettromagne tica che viene immediatame nte assorbita e ri-e messa da altri ato mi . Anc he un' ipote ti ca rad iazione inc idente, c he g iunge ne lla cavità attraverso il pi ccolo fo ro, subi sce assorbime nti e rifl essioni successive che la inde boli sco no e non ne permettono l' uscita. La radiaz ione che esce dal fo ro è una frazione della radiaz ione elettromagnetica che si produce in questa serie di processi. A questa radi azione si dà il nome di radiazione di corpo nero, che dipende esclusivamente dalla temperatura de l corpo nero stesso e non dalla lunghezza d'onda (Figura 4.5). Ulteri ori proprietà de l corpo nero sono ri portate nelle enunciazioni de lle quattro leggi fo ndamentali de l Te lerilevame nto.

120

CAPITOLO 4 • ELEMENTI DI Thu: RLLEVAMENTO

121

ELLMENTI DI G LOMATICA

Coefficiente di riflessione Coefficiente d i assorbi mento Coefficiente d i trasm issione

P =Er /E.I

O~p~ I

a= E3 I E.I

O~cx~I

't =E1/Ei

O~ 't ~ I

dove p , cx e 't sono, ri spettivamente, i coefficienti adimen sionali d i riflessione (o ri flessività), assorbimento (o assorbiv ità) e tras m i ~sion e (o Lrasmissivilà),

Figura. 4.5 Superficie di corpo 11ero rappresen1atc1 da 1111 piccolo foro dal quale entra fa luce senza più uscirne perché completa· me/I/e assorbita nella cavità.

p o riflettività: rapporto tra l 'energia riflessa da una superficie e quella incidente cx o assorbi v ità: rapporto tra l 'energia assorbita da una superficie e quella incidente 't o trasmissi vità: rapporto tra l 'energ ia trasmessa da una sÌ.1perfìcie e quella i ncidente. L a loro somma porta a un ri sultato unitario:

[4.2]

p+CX+'t= I

Questa relazione descri ve il caso pi ù generale; in realtà esistono anche corpi trasparenti che trasmettono sol tanto ('t = I ), o corpi opachi che non trasmettono nulla (p + cx= I ). Occorre ricordare, tuttavia, che in natura non esistono corpi che hanno un comportamento costante su

Legge di Kirchhoff Ki rchhoff, nei suoi studi partì dal presupposto secondo il quale ogni rad iazione che i ncide una superficie reale va incontro a tre fenomeni : riflessione, assorbimento, trasmissione:

tutte le lunghezze d'onda (nella realtà può capitare che un corpo sia opaco in un certo campo di À e trasparente in un altro), per questo è opportuno ogni vo lta riferi rsi a una precisa lunghezza d'onda o i ntervallo spettra le (O.)v P).,,, 't;i,_,). B isogna i n sostanza aggiungere l'aggettivo spettrale. N el Telerilevamento si considerano solo la rad iazione riflessa ed emessa da un oggetto, visto che le onde assorbite e trasmesse non possono essere percepite dal en ore. Se un corpo da luogo a una riOes ione i sotropa, cioè uni fo rme in tutte le direzioni, si è in presenza di una superficie lambertiana (Fig ura 4.7). Pri ma di enunciare la legge di K irchhofT è necessario in trodurre un'ulteriore grandezza, l'emissività e, che esprime l'efficienza con cui un corpo irradia ed è definita dal seguente rapporto: e= energia emessa dal corpo reale a T 0 / energia emessa dal corpo nero a T 0

Superficie S Figura 4.6 Il pr111c1p10 della Legge di Kirchhoff.

cx= e cioè per una stessa superficie il coe fficiente di asso rbimento cx è uguale al coefficiente di emissi vità E; d imostrando che un buon radiatore è anche un buon assorbitore. Perciò nell'equazione

D al pri ncipio di conservazione dell 'energi a e dalla Figura 4 .6 si deduce che:

Ei = E, + E3 + E1

D ato che il corpo nero, per defini zione, è in grado di assorbire tutta l 'energia e, nel contempo, di emettere rad iazione con più efficienza, è chiaro che il suo valore di emissività sia pari a I. A partire da queste relazioni Kirchho ff fu in grado di dimostrare che:

(4 . 11

dove: Ei : radiazione i ncidente E, : radiazione riflessa E3 : radiazione assorbita Et : radiazione trasmessa

È possibile associare a ci ascuno dei fattori scritti nell 'equazio ne [4. 1] dei coef ficienti che quantifichino i fenomeni di assorbimento , riflessione e trasmissione verificatisi durante l' inter azione energia readiante-materi a. Parte dell'energia incidente (E) è riflessa (E,), parte assorbita (E3 ) , parte trasmessa (E1) in funzione dei parametri seguenti :

Riflettività

E·

Ei

'\

\.

(

'

-~

Speculare

.c::::ll

(

Ei \

•

w. Mista

'

/, ~ ~

J

Figura 4.7 Diverse situazioni di riflessione della luce incidente.

(

)'

~

Lambertiana

)

122

ELE~IENTI DI G E0\1 ATICA

CAPI roLO 4. ELEMLNTI 01 Ti-..LERI LEVAME:-010

123

J

\

che lega i parametri di assorbimento, trasmi ssione e riflessione può essere inserito il coefficiente di emissi vità e:

: lunghezza d'onda [µm] : temperatura assoluta [ K] OK= -273, 14 °C MÀ : potenza radiante per unità di superficie e di [W ·cm2 ·µm]

À

T

14.3]

p+e+'t= I

pertanto, a parità di i- e per superfici opache, tanto pi t1 le superfi ci sono riflettenti tanto meno sono in grado di emettere radiazioni elettromagnetiche e viceversa.

Da questa formula emerge quanto l 'energia emessa da un corpo nero (per il quale è valida la legge di Planck), a una data lunghezza d'onda, sia fun zionale esclusivamente alla temperatura del corpo stesso. In questi termini , si ri cordi che una caratteristica del corpo nero è quella di avere emissività (e) costante. Per correttezza concettuale occorre ricordare che, se I' exitanza (MÀ) esprime la densità di flusso energetico entrante, la stessa è detta irradianza (EÀ).

Legge di Planck Qualunque superfi cie esterna di un corpo, se a temperatura superiore allo zero assoluto espresso in gradi K el vin K (- 273, 14 °C), emette radiazioni elettromagneti che proprie che dipendono dalla temperatura del corpo e dalle caratteri stiche fi siche-chimiche-geometriche della sua superficie, mentre riflette, assorbe o si lascia attraversare dalle rad iazioni elettromagnetiche provenienti dall ' esterno. Le due principali sorgenti di onde elettromagnetiche considerate sono il Sole e la Terra. La radiazion e elettromagnetica è definita dall a lunghezza d'onda (À.) e dall a frequenza d' onda (v), legate tra loro da una relazione di proporzionalità inversa:

C= ÀV

[m ·

sec- 1]

[4.4]

con: c : velocità della luce nel vuoto À. : lunghezza d'onda v : frequenza d'onda.

Legge di Stefa11-Boltzma1111 Integrando la legge di Planck su tutto lo spettro si otti ene il potere emissivo integrale di corpo nero, il cui va lore è oggeuo della legge di Stefan- Boltzmann: ,j,

1

w=

I

)

w T

La velocità di propagazione della luce, o de lla radiazione elettromagnetica, si può ritenere costante ne l vuoto e pari a circa 300.000 km · sec- 1• La legge generale dell 'emissione elettromagnetica fu enunciata da Planck ne l dicembre del 1900 nella forma sintetica:

rw1

[4.5]

J

27rhc hX 5 M .i= ""

Si evince che la radiazione emessa dalla superficie di un corpo dipende dalla quarta potenza della sua temperatura assoluta. Questa legge è utile perché consente di mettere in relazione diretta la ex itanza totale di una superfi cie e il valore della sua temperatura assoluta, indipendentemente dalla lunghezza d'onda. Si ricorda che questa legge va le solo per le superfici di corpo nero, a emissività pari a I . Nella realtà i corpi hanno emissività compresa tra O e l e funzionale alla À, quindi la forma che la legge di Stefan-Boltzmann assume nel caso venga applicata a corpi non neri è:

La legge di Planck è una funzione dotata di un va lore massimo per ogni temperatura (Figura 4.8) ma prima ancora che fosse definita, nel 1893 Wien enunciò la legge che mette in relazione la lunghezza d' onda À. corrispondente al massimo di energia, o potenza, emessa da una superficie di corpo nero con il suo valore di temperatura T:

[4.6]

I

Àmax

con: c: h : K : e :

potenza radiante per unità di superficie potenza radiante per unità di superficie e di lunghezza d'onda 5,67 · IO 12 IW · cm- 2 • K-4] costante di Stefan - Boltzmann temperatura assol uta di corpo nero in Kelvin (K )

Legge di Wie11

2

1t

[4.7]

l4.8]

L 'equazione indica come la quantità di energia apportata dalla radiazione sia direttamente proporzionale alla frequenza e inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda. La legge generale di Planck nella sua forma estesa è la seguente:

e).kT -

aT 4

dove:

(J

e= hv

"

. Jw.1.dA. =

... o

WÀ

con: e : quanto di energia della radiazione h : quanto di Planck (una costante) v : frequenza d' onda.

lunghezza d'onda (exitanza)

3,14 15 2,99· 10 10 [cm· s- 1J velocitàdella luce nel vuoto 6,62 ·I 0- 34 IW ·s2 ] costante di Planck l ,38 . IQ- 23 [W ·S ·K- 11 costante di Boltzmann 2,71828 1828459045 ·quanto di energia della radi azione

. I

J

= w · T-

1

[4.9]

con: w : costante specifica per ciascun corpo secondo i suoi caratteri di emissività; per un corpo nero w = 2890 T : temperatura assoluta di corpo nero in Kel vin (K) T è la temperatura che avrebbe una superficie di corpo nero se emettesse come la superficie in oggetto.

124

La legge di Wien e nunc ia c he la lung hezza d ' onda corri spondente a l massi mo di e mi ssione e lettromag netica di una s uperfic ie che segue la legge di Planck a ume nta al diminui re de ll a temperatura. L' esempio classico è quello di una fiamma ro sa, À.: 0,75 µm , che ha un minore appo rto calo rico ri spetto alla fiamma di colo re blu-violetto, À.: 0,40 µm . Anche questa legge è di grande utilità pratica perché si può selezio nare la banda spettrale o ttima le di indagine per una superficie a una definita temperatura. Il Sole, per esempio, avente una temperatura apparente di corpo nero di c irca 6.000 K, ha il suo mass imo di emissione a 0,483 µm corrispo ndente a ll a luce blu-verde; gli oggetti a te mperatura amb iente (25 °C: 298 K) emettono attorno a 1O µm . La s upe rfi c ie dell a Terra e me tte infatti a 9,66 µm ne ll a zona de llo spe ttro elettro mag ne tico corris po ndente all' infrarosso termjco. J nostri occhi, sensibili all a reg ione visibile de ll o spe ttro, sono in grado di vede re grazie all 'energia e messa dal Sole e riflessa dagli oggetti che c i c ircondano. G li altri tipi di e ne rgia radiante, come ultraviolelto, infrarosso e mic roonde, a lung hezze d'onda maggiori pur essendo presenti sia in forma riflessa che e messa, possono essere ri levati solo da strumenti a scansione o da radiometri.

Albedo terrestre L' albedo è de fi nito come il rapporto tra l'energia e lettromagnetica riflessa o di ffusa da una superficie e l' energia tota.le, proveniente dal cielo che su di essa inc ide. L'albedo è quindi equ ivalente all a riflettività p di un corpo confro ntata con quell a di una s uperfic ie posta a lla stessa

Visibile

109

~1

""

10 8 107

'E :::t NE

[

, Lampada a incandescenza

106 105

(O

N

e

(O

:o a::

104

(O

103 10

2

101

•

0,1 0,2 0,5

2

5

10 20 50 100

Lunghezza d'onda [µm]

125

ELE:'>1E:-.IT I DI GEOMATICA

CA PI TOLO 4 • ELtMENTI DI 1ÈLERlLEVA.\1ENTO

Figura 4.8 Curve di radianza di corpo nero a diverse temperature (Legge di Plank). Lt1 lunghezza d 'onda dal massimo di emissione si sposta verso le ltmghezze d 'onda piiì corte al crescere della temperatura (Legge di Wien). L'area so/lesa da ogni curva è la radianza totale emessa a quella temperatura (Legge di Stefan-Bo/tz111c11111). li Sole, T: 6000 K, ha 1111 picco di poten za a 0,483 µ m (0,4-0,7 µm luce visibile), la Terra, T· 300 K, ha un picco intorno a 9,66 µ111.

di stanza da l Sole e perpend icolarmente ad esso e che diffonde tutta la rad iazione inc idente . Questo rapporto si esprime di sol ito come percentua.le. L'albedo tetTestre ne l suo com ple sso, in condi zio ni normali, è pari al 34%. Se ri ferito a singoli oggetti varia come riportato in Tabella 4.4. I valori sono comparabili se riferiti alla radiazione glo bale in ore centrali del giorno in g io rnate erene. La presenza d i copertura nuvolosa anche parz iale a ltera considerevolme nte i valo ri d i albedo a l punto d a poter e ssere difficilme nte norma lizzati e quindi utili zzati. A valori mino ri di albedo corri sponde una maggio re energia d isponibile per gli ecosistemi. Tabella 4.4 Valori di albedo per diverse superficie.

Superficie Bosco di conifere Bosco di latifoglie Campo coltivato e prato Suolo molto chiaro (sabbia) Suolo molto scuro (torba) Deserto Neve fresca Acqua (angolo di incidenza luce 45°)

Albedo(%) 10 - 20 15 - 25 15 - 30 35 - 40

5 -10 25 - 30 75 - 95 5 - 10 5 - 99

L'albedo, nel caso de lla vegetaz ione, è fun z ione della fase fenologica e quind i del grado di copertura e de lla dens ità de lla biomassa fog liare. Una vegetazione densa con copertura bassa fornisce valori di albedo maggio ri rispetto ad ambi enti con caratteri stiche opposte: nei boschi più radi con copertura a lta, aumentano la di ffu sio ne e l' assorbimento nelle c hiome e negli strati sottosta nti. [ valo ri di al bedo variano durante il giorno con l'altezza del Sole e con il periodo de ll'anno. Le variazio ni sono e levate con angoli più inclinati dei raggi solari compresi tra 0° e 30°, all 'alba e al tramonto. Una stessa copertura vegetale ben sviluppata osservata in ore di ve rse durante la g iornata presenta valori d i a lbedo variabi li da 30% con inclinazione del sole ris petto all ' orizzonte di 10°, a 15% con altezza del sole a 60°. La presenza di gocce d'acqua sugli oggetti, rugiada sulle foglie, favori sce un aumento della ri flessione e q uindi dell ' albedo.

Luce visibile e colore [J colore è una e laboraz ione me ntale dell ' uomo per percepire il mondo esterno fis icamente origin ato da luci colorate e/o d a p ig menti colorati. Negli organi ricettori dell' apparato visivo avv iene lo stimo lo di tipo biochimico che genera im pulsi elaborati poi dal cervello. Lo stimolo biochimico è indotto da una solleci taz io ne d a parte de ll'energia e lettro magnetica percepi ta nelle lung hezze d'onda de l visibile comprese tra 0,4 e 0,7 µ m. Il modello di riferime nto per la descriz ione della percezione colori metrica è que llo di tristimulus o tristimolo, che si basa sull e segue nti assunzioni:

126

CAPITOLO 4 • ELEMENTI DI TELERILEVAMENTO

127

ELEMENTI DI GEOM ATIC'A

• la retina dell 'occhio, comportandosi come una pell icola fotografica, contiene sistemi cellulari, detti bastoncelli, sensibili allo stimolo luminoso (anche a basse intensità) in grado di trasmeuere immagini acromatiche, e tre tipi di coni sensibili alle lunghezze d 'onda del rosso, del verde e del blu; • la percezione cromatica e la visione risultano possibili grazie alla combinazione di questi segnali trasmessi al cervello attraverso il nervo ottico. Per la defini zione di un sistema colorimetrico standardizzato è stato necessario comprendere la relazione tra la reatti vità dei tre fotorecettori dell 'occhio duran te l' azione percettiva di un determinato colore al fine di ricavarne le funzioni di sensibi lità cromatica, o spettrale. Gli esperimenti condotti da Stiles-Burch, e Speranskaya, sono stati riassunti in tre curve, dette funzioni di corrispondenza cromatica (o di tristimolo) che descrivono il contributo singolo dei tre colori primari (rosso R, verde V, e blue B) che partecipano alla sintesi add iti va che consente l' esatta percezione del colore osservato (v. Tavola 4.5). Tali fu nzioni rappresentano la chiave per realizzare il trasferimento tra la realtà fisica estern a del colore e quella percetti va interna dell 'occhio umano (Figura 4.9). I diagrammi di tristimolo esprimono la relazione tra le caratteristiche spettrali dei tre colori primari, o fasci monocromatici, scelti per defi nire il sistema di riferi mento; i colori primari sono fissati alla lunghezza d' onda di 645 ,2 nm per il rosso, di 526,3 nm per il verde e di 444,4 nm per il blu. Se cambiassero i riferimenti , anche i risultati de ll e sintesi sarebbero diversi; qu indi, la scelta dei colori primari è importante e si basa sul fatto che ogni colore non è riproducibile con la sintesi degli altri due. I primi risultati ottenuti sperimentalmente mo travano dei limiti, dovuti in sostanza al funzionamento dei coni nella retina umana, fra cui : • impossibilità di ottenere il colore bianco con pesi equi-ripartiti di tristi molo R, V, B • presenza di valori negati vi di tristimolo nell ' intervallo spettrale 450-550 nm.

1,8

o

•••H

0H0000~

..

0

00

0

•

.

..

1,6

000000•0•~··

···-t··········:·····"····f

.....i ............ ~ .••. -.... ~ ............ ..

1,4 1,2

o

o

E

~

1,0

:s '5 ·e

0,8

~

0,6

o

0,4 0,2

o.o 400

Figura 4.10 Funzioni di tristimolo definite dalla CIE (1931) relative a una tema di colori primari di riferimento immaginari X, Y. Z: R, V. B.

B 444,4

500

V 526,3

600

R

700

645,2

Lunghezza d'onda [nm]

Per superare tali incongruenze, la CIB (Commission lntemation.ale de l 'Éclairage) nel 193 1 fissò le curve sperimentali a un nuovo sistema di colori primari:

3,0

o

o

.s iii

2,0

:s

:o ·g

~

1,0

R : 700,0 nm V : 546,1 nm B : 435,8 nm.

I '. : I l

li problema dei valori negati vi fu risolto definendo delle trasformazioni algebriche lineari dei precedenti, che generano dei colori immaginari definiti X, Y, Z. Questi presentano il vantaggio di poter esprimere sia i colori naturali che quelli artificiali con valori positivi. I picchi delle tre funzioni corrispondono a 0,600 µm , 0,555 µm e 0,450 µ mdi lunghezza d'onda (Figura 4.1 0).

·································1····......

Definizione di un colore

o.o

800

V

R

526,3

645,2

Lunghezza d'onda [nm)

Figura 4.9 Le funzioni medie di tristimolo risultanti dagli esperimenti di Stiles-Bu rch e Speranskaya.

Per definire un colore in modo quantitativo occorre relazionare i seguenti fattori : • riftettanza della superfic ie osservata; • cur va della sorgente illuminante; • le tre funzioni di tristimolo dell'occhio. Attraverso questi si ottengono dei valori che esprimono, in termini numerici e assoluti, ciò che per l'occhi o è l' impressione del colore.

128

E LEMENTI DI GEOMATICA

CAPn'OLO 4 • ELEMENTI DI T ELERILEVAMENTO

Coordinate di cromaticità Poiché la somma dei valori di tristimolo X, Y, Z rappresenta una sorta di e ffetto globale del colore, risulta conveniente servirsi di un a tem a di valori no rma li zzati ad essa, quale:

129

li tratto rettilineo, tra il blu posto a 400 nm e il rosso a 700 nm , è definito come asse dei magenta, colori saturi non spettrali, detti cosl perc hé, anche se osservabili in natura, derivano da miscele di colori che sono posti alle estre mità dello spettro e quindi no n combinabili direttamente.

Tinta, Saturazione, Intensità

X = X/(X+ y +Z) y = Y/(X+ Y+Z) z = Z/(X+ Y+Z)

Per definire un colore sono necessarie tre grandezze: tinta, saturazio ne e intensità (HSl: Hue, Saturation, lntensity). La tinta, ne l diagramm a di cromatic ità è il para metro c he regola l'associazione spettrale di

ne risulta: x + y + z= I

[4. 10]

dove x, y, z, hanno valori compres i tra O e I e sono dette coordinate cro matiche o coeffic ienti tri-c romatic i e rappresentano la normali zzazione di c iasc un valo re d i tri stimolo ris petto a ll a somma de i tre, secondo il sistema di calorimetria CIE X, Y, Z. Un vantaggio immediato dell a no rm ali zzaz ione de i va lo ri di tri stim olo è que ll o di ridurre il numero delle variabili. Infatti basta no le prime due coordina te x, y pe r trovare a uto mati camente il valore di z, essendo questo ultimo valo re comple me ntare dell a loro somma. Le coordinate c ro matiche CIE x, y ass umo no una form a a fe rro di cava ll o (Fig ura 4. ri ), come modifi cazione e sviluppo de l tri ango lo X , Y, Z , dove, il luogo dei colori saturi , de finito dal tratto c urvilineo, indica le lunghezze d 'onda de i colori re ali mentre, ne ll e zone a l centro, cadono le coordinate delle sorgenti illumina nti, fra cui esemplifi cativa è posta la sorgente standard E con di stribuzione a ug ua le ene rgia ri spe tto ai tre colori primari e le cui coordinate x, y, z per de fini z io ne si equi valgono con va lo re 0 ,333 ciascuna. y

un colo re, per esempio il rosso, de fine ndo a qu a le dei rossi rappresenta ti ne llo s pettro esso meg li o corris po nde. La s ua de fini zio ne avviene dete rmin ando la posiz io ne nell o spaz io ne l di agra mma CLE. li g rado di saturazione di un colo re, o di purezza, si deduce da quell o saturo di riferimento. Questa caratte ristica vie ne calcolata in termini percentuali, sull a base de l rapporto tra la distanza de l colo re da que ll o saturo di riferime nto, ri spetto a quella dalla sorgente. TI va lo re di intensità de l colo re, rappresenta in termini percentuali l' energ ia de ll a sorgente illuminante. Definisce come appare intenso il colore (o brillante, a seconda dei casi). L' intensità si ricava direttamente dal valore di tristimolo Y. C iò significa che, per superfic i perfettamente riflettenti (o trasmittenti), Y = I 00%, mentre per superfici perfettamente assorbenti Y = 0%. Riassumendo: • la tinta è la dimensione del colore definita da lla lung hezza d ' onda; • la saturazione è la dimensio ne de l colore , in una scal a tra O e 100 di va lori fino al colo re puro; corri spo nde al contenuto di colo re nel bianco; una immagine in saturazione ha valori dei tre colo ri fo ndame nta li pari a l 00, c ioè il bianco; • l' intensità corri sponde a lla potenza de ll' energia luminosa.

Il sistema CIE

v

. ...

..

~

.. .. ..

6,1 nm •• . •••••• ~ - •••••••••• ' ~ .1 ••••. •

··········!············ \····· :-. ··!···'

:

....... ' .. ~- .......... ~--· ·1· ····•· ........ ' :

:

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.. -....... - .,, ...... -~

C' ~ -.

. ..

:.'~ ...

-~

_ ?~-· __o._w

'

,'':'

-- ------r--- ··············· ···-·· ~ ,.

~' N

:~

X

a

b

Fig11ra 4.12 a: angolo solido in steradianti/ srj; b: Radianza L /W · m- 2 • sr1 ]: radiazione secondo un certo angolo di osservazione, misurato su di un piano perpendicolare af/a direzione N considerata.

132

CAPITOLO 4 • ELEMENTI DI TELERILEVAMEl\"fO

ELEME1"TI DI GEOMATICA

Come tutte le grandezze sopra indicate, anche la radianza varia in funzione della lunghezza d'onda. Pertanto, quando viene utilizzata, nell 'ambito delle applicazioni del Telerilevamento, é necessario precisare l'intervallo di lunghezze d'onda al quale ci si riferisce. La riflettività p, rapporto tra energia riflessa ed energia incidente: Er I Ei espressa in valori compresi tra O e I (se in percentuale è meglio conosciuta come albedo), pur non essendo una grandezza radiometrica, è frequentemente utilizzata nel Te lerilevamento, anche se spesso in modo scorretto: ad esempio al posto della radianza, oppure quando è indicata in modo generico. Quando la riflettività è misurata in riferimento a un determinato intervallo di lunghezza d' onda si deve indicare, per quanto detto in precedenza, come riflettanza spettrale. Andrebbe, inoltre, sempre specificata l'ampiezza dell 'angolo con cui vengono effettuate le mi sure di riflettanza. Se si utili zza un o spettroradiometro in laboratori o sono sempre emisferiche, essendo tali le direzioni sia della rad iazione incidente che di quella riflessa, mentre le misure effettuate dai sensori portati dai sate lliti sono bidirezionali , essendo direzionali sia il flusso incidente sia quello uscente. In Tabella 4.7 sono riportate le grandezze radiometriche considerate e le rispettive grandezze fotometriche associate. La fotometria è la parte dell 'ottica applicata che studia i metodi di misura de lle varie caratteristiche di un fascio di rad iazioni luminose nell' intervallo del visibi le dello spettro elettromagnetico. Le grandezze fotometriche misurano la luce emessa da una sorgente .o ricevuta da un corpo. A ogni grandezza radiometrica conisponde una grandezza fotometrica; le unità di misura fondamentali delle grandezze fotometriche sono: • lumen [lm] definito come il flusso luminoso emesso da una candela nell'angolo solido di uno steradiante; • candela [cd], che non ha null a a che vedere con la classica candela di cera, è defi nita come 1160 dell ' intensità luminosa emessa da un corpo nero, o radiatore integrale, alla temperatura di solidificazione del platino, in direzione normale al foro di uscita avente l' area di l cm2 ; è l' unità di misura fondamentale dell ' intensità luminosa. Tabella 4.7 Principali grandezze radiometriche, corrispondenti grandezze fotom.etriche e relative unità di misura utilizzate nel Telerilevamento.

Grandezza radiometrica Energia radiante Flusso radiante Densità di flusso radiante Exitanza radiante lrradianza Intensità radiante Radianza

Unità

Analisi dimensionale

a

[J]

[W]

M

[W . m-~ [W . m- 21 [W . sr1] [W . m- 2 . sr1]

E I

L

Grandezza fotometrica associata Energia luminosa Flusso luminoso Densità di flusso luminoso Exitanza luminosa llluminanza Intensità luminosa Radianza

Firma spettrale La visualizzazione delle immagi ni digitali da satellite è il risultato di operazioni di conversione del segnale registrato dal sensore (radianza misurata in continuo) in valori discreti di ON associati a ogni unità spaziale indagata. Se si considera che tale segnale è funzionale alle carat-

133

teristiche fisico-strutturali della realtà esaminata, è possibile riuscire a stabi li re una conispondenza tra la quantità e la qualità dell a energia riflessa e la natura o lo stato dei corpi o delle superfici dai quali proviene, a seconda delle diverse lunghezze d'onda. Questa ri sposla, che il sensore è in grado di percepire, è rappresentabile in termini grafici come una capacità di riflessione in funzione della lunghezza d'onda: è la firma spettrale, strumento chiave per l'analisi quantitativa delle immagin i satellitari (Figura 4.13). Quando l'energia elettromagnetica emessa dal Sole colpisce la superficie di un corpo opac9 qualsias i, questa viene in parte assorbita e in parte riflessa. La riflessione può essere speculare o diffusa, a seconda dell 'oggetto o dell' angolo di vista (v. Figura 4.7). La porzione di energia riflessa nel visibile contiene info rmazioni spettrali inerenti anc he al colore de lla superficie riflettente. La percentuale dell 'energia radiante incidente che viene riflessa (riflettanza) è determinata dalla struttura geo metrica delle superfici, dalla natura e dalla composizione dei corpi (influiscono sull a riflettanza, ad esempio, il contenuto in acqua di un suolo o vegetazione, oppure, al contrario, il contenu to di particelle solide in sospensione in un corpo idrico) e dalla presenza di pigmenti fogliari . Ad esempio la clorofi ll a assorbe fo rtemente l'energia radiante negli intervalli di lunghezza d'onda intorno a 0,45 µm (blu) e 0,65 µm (rosso); rifl ette invece la radiazione verde, in prossimità de lla lunghezza d'onda di 0 ,55 µm , che noi percepiamo visivamente come colore delle foglie e in modo ancora maggiore nella regione dell ' infrarosso vicino da 0,8 a 1,3 µmdi lunghezza d'onda. Il Telerilevamento passivo nelle bande ottiche dall ' ultravioletto al medio infrarosso, cioè nel1' intervallo spettrale compreso tra 0,3 e 2,5 µm , si occupa di studiare e misurare le caratteri stiche di riflessione, al fine di identificare superfici di iso-comportamento, che dovrebbero corrispondere a oggetti al suolo di natura simile. Non si può tuttavia parlare di univocità dell a firma spettrale; le risposte spettrali di corpi appartenenti alla stessa classe di esistenza non generano firme spettrali sovrapponibili . Questo fenomeno è facilmente spiegabile se si pensa alle diverse condizioni di umidità o di composizione mineralogica, nonché di granulometria alle quali può essere soggetto il suolo; oppure al di verso stato di salu te di una copertura vegetale che la porterà a ridurre la sua radianza nel verde rispetto ad un 'allra, della medesima specie, ma in condi zioni migliori. I fattori che producono variazioni nelle curve di riAettanza spettrale possono essere: • statici: come la pendenza e l'esposizione del terreno; • dinamici: provocano differenze di risposta spettrale di una stessa area elementare nel corso del tempo: tra di essi: lo stadio fenologico de lle colture erbacee, le loro condizioni fitosanitarie e il grado di copertura del terreno, l'umidità superficiale del suolo, la trasparenza atmosferica e la posizione del Sole. Le variazioni de ll 'angolo di elevazione del Sole causano differenze nella riflettanza della scena vista dai sensori spazia li, che dipendono anche dal tipo di suolo. Ad esempio la riflettanza di un suolo sabbioso è più sensibile a variazioni di illuminazione solare che non le riflettanze di suoli coperti da vegetazione. Ciò è dovuto per lo più ad aspetti geometrici per cui i suoli sabbiosi sono maggi.ormente assimilab ili a una superficie liscia di quanto lo possa essere una superficie che appartiene a una successione di chiome di alberi. Occorre ricordare, inoltre, nella realtà operativa le curve di ritlettanza spettrale di un elemento territoriale cambiano a causa della variabilità delle condizioni ambi entali locali e soprattutto dal fatto che ai sensori che misurano le riflettanze spettrali giunge l'energia riflessa

134

CAPITOLO 4'. ELEMhNTI DI TEi.,ERI LEVA M liNTO

I

visib ile

I

ELE ~ ENTI DI GEOMATICA

vicino infrarosso

infrarosso medio

60

~ e.....

--

45 / /

135

1 - Latifoglie 2 - Conifere 3 - Suolo sabbioso 4 - Suolo arg illoso 5 - Acqua torbida 6 - Acqua limpida

3_ - - ' / - "'- .,_,. -

Al~.i.~~............. ...................... ··················· .···················.... .

80 ..... o~

~ 60

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e

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20 4.. ·· ..····

/ 15

.../·;.........

Cr

dipendente dalla scena dipendente dalla risoluzione nozione di ripetitività

macro

struttura

Ct > > Cr

C t: cella tessiturale

dipendente dalla scena dipendente dalla risoluzione ripetitività non necessaria

Cr: cella di riso luzione

In particolare lo speck/e, che caratterizza tutte le immagin i radar con un effetto grana o grasale-pepe) è la fluttuazione stati stica associata ai pixel (v. Figura 4.28). Infatti all' interno d i zone co ntenenti parecchi e lementi diffusori, si verificano fenomen i di inte rfere nza costruttiva o di struttiva in modo casuale che danno origine ai toni chi ari o scuri dell 'immagine. Nella visual izzazione delle immagini lo speck/e è fonte di disturbo, ma l'applicazione di filtri dig itali permette di migliorarne la qualità. In altre applicazio ni, come l' interferometria SAR, lo speck/e è segnale utile e deve essere trattato in modo di ffere nte rispetto a quanto fatto per migliorare la qualità delle immagin i visualizzate.

nul arit~(effetto

158

CAPITOLO 4 . ELE~1ENTI DI ThLERILEVA~1ENTO

f-.

159

E LEMENTI DI GEOMATICA

.~----

Direzione di (vista) puntamento

l 10

10

10

10

.-~-.--·

R, R,

10

a

10

10

10

m

I

.-~~---

.l

10

10 I. - -10 10 b IL--'-..Li. ...:....:.....L --'----'-'---'

m

Figura 4.35 Confronti geometrici di ripresa di sistemi ottici e radw: a: geometria di una ripresa verJica/e (Nadir) di una immagine 011ica, b: geometria di ripresa di un sistema radar.

M

i t

Tecniche di utilizzo delle immagini radar Sebbe ne le missioni spaziali radar sia no nate con l' intento di sfruttare le capacità ope rative ogni-tempo dei sensori atlivi utilizzando le immag ini d i intensità, di fatto le principali tecnic he sviluppate che portano a operative applicazioni sfruttano le di ffe renze di fase tra impulsi successivi. Le possibilità di utili zzo delle immagini radar sono in sintesi le segue nti (Figura 4.36): • immagini radar ad apertura sintetica (S AR), acquisite in scene di 100 km x I00 km con risoluzione di S m x 20 m, c he fo rni sco no un a misura mo lto precisa dell a di stanza tra il satellite e i punti osservati pari a circa uno ogni I 00 m2; • interferometria SA R satellita re, tecnica che sfrutta le osservazio ni di una stessa scena da 2 orbite parallele e non coincidenti che consente di generare un modello d igitale dell a superfic ie (D SM ) come differenza delle dista n~e tra le due posizio ni del satellite e ogni punto a terra, con una precisione verticale di circa LO metri ; • interferometria diffe renziale SAR satellita re, tecnica c he sfrutta le osservazio ni di una stessa scena dalla stessa orbita ripercorsa dal satellite in te mpi successivi con la possibilità di generare una mappa degli sp ostamenti relativi dei punti osservati come diffe re nza delle distanze dal satellite, con una precisione verti cale prossima al millimetro e orizzontale di circa 1 centimetro.

Interferometria radar La ripresa da angolazioni diverse di una stessa scena con strumenti radar (Synthetic Aperture Radar, SAR) ha po rtato allo sviluppo della tec nica differenziale di interferometria SAR, de fi nita D-InSAR (Differential SAR lnterferometric Technique). Questa tecnica perme tte di

Figura 4.36 Tecniche di utilizza delle immagini radar; a: acquisizione singola, b: acquisizione in wndem in orbite diverse, possibilmenle nello stesso momento, per interferometria, c: acquisizioni sulla stessa orbita in tempi diversi per interferometria differenziale.

estrarre informazio ni mo lto inferiori al centimetro sulla topografia terrestre mediante l' elaborazione dell ' informazione di fase de.I segnale retrodiffuso dalle superfici (Prati et al., 2000). La tecnica differenziale consiste nel confrontare due immagini radar acquisite da due ante nne durante due orbite separate da un a nota di stanza, o base di presa (baseline). Ve ngono e messi due segnali ele ttromagnetici nelle microonde caratte1izzati da una differenza di fase fun zionale alla distanza cui si trovano le due antenne, corrispondente alla base della ripresa interferometri ca (Figura 4.37). La differenza tra i valori di fase pe r ogni pi xel corri spondente alla stessa area a terra nelle due riprese producono un interferograml')1a, cioè un immagine che contiene solo l' info rmazione sulle differenze di fase alle di verse di stanze dei pixel dall' antenna SAR. La differe nza di. dista nza di ogni cella di ri solu zione o pixel dalle due posizioni relati ve rispetto all'ante nna radar consente di stimare e segnalare spostamenti o modifiche di elementi dislocati sul territorio e/o del territorio stesso. Una delle caratteristiche del SAR consiste nella sua capacità di fornire immagini coerenti, ovvero contenenti info rmazioni di: • intensità: un'ampiezza radiometrica, che esprime la rifl ettività dell 'oggetto alla frequenza di o sservazione, legata alle caratteristiche di retrodiffusione della radiazione dagli oggetti presenti in una scena;

160

CAPITOLO 4 • ELEMENTI DI TELERI LEVAMENTO

ELEMEl\'T I DI G EOMATICA

16 1

E ro

Ne de ri va che la fase di una singola immagine SAR è inutilizzabile . Se si considera, invece, la differenza di fase tra due immagini SA R riprese da angoli di vi sta leggermente diffe renti il termine di fase dovuto ai re trodiffusori si può trascurare, se la differenza d'ango lo è mo lto piccola. fn tal caso il te rmine di fase residuo è dato da:

y

1000

altissima molto alta alta media medio-bassa bassa molto bassa bassissima

AAR

3 10 cm

50cm

1m

Figura 6.13 Confronto di immagini di una stessa scena rilel'ate con differenti risolu zioni geometriche.

4m

Bm

4 5 6 7 8

2m

)

MA AR MR MB BR MBR BBR

Per risoluzione spettrale si intende l'intervallo di lunghezze d' onda a cui è sensibi le lo strumento, i l numero di bande spettrali e la loro corTelazione. La risoluzione radiomerrica, come già definita in precedenza, è la min ima energia i n grado di stimolare l 'elemento sen sibile affinché produca un segnale elettri co rilevabile dall 'apparecchiatura, oltre il rumore intrinseco, connessa alla capacità che ha il sensore di ri levare l ' intensità del segnale elettromagnetico proveniente dagli oggetti investigati. esiste cioè un intervallo minimo di radianza b./.., che sta in un N umero Digitale ON (Figura 6. 16).

220

ELbM~NT I 1)1 G EOM ATICA

CAPITOLO 6 • SISTEMI 0 1 RIPRESA

10 m

1

m

61 cm

Figura 6.15 Confron to tra riprese di im111agi11i della stessa scena, svincolo a111ostradale di TorinoCase //e, con risoluzioni a: IO m, b: I m, c: 61 cm.

a

22 1

b

c

Figura 6.17 Confronto del Mo dello Digitale del Terreno ricava to da immagini di una stessa scena rilevate in differenti periodi. d

1 bit

4 bit

e

Per risoluzione temporale si intende invece il periodo di tempo che intercorre tra due riprese successive di un a stessa a rea. (Lechi, 2003); in Figura 6. 17 è riportata su una serie di DEM l'e ffe tto che la differe nte inclinazione de i raggi solari ha sulla tipologia di o mbre che si generan o nella medesima a rea in stagion i d iverse.

Satelliti per l'Osservazione della Terra

Figura 6.16 Confronto di immagini di una stessa scena rilevate con differenti risolu zioni radio111e1riche.

8 bit

Le soluz ioni progelluali de lle stazioni orbitanti vengono studiate, con un antic ipo di anni, cercando di concreti zzare i ri sultati scientific i de lle ricerche e di prevedere quali potrebbero essere le richieste di mercato. I sate lliti attualmente orbitan ti sono il ri sultato di ricerc he inizi ate negli ann i ' 60 quando l' uso delle immag ini era riservato ai laboratori di ricerca, alle aziende del settore e poc hi a ltri che aveva no ri tenuto di investire, con costi molto elevati, in mezzi hardware, software e perso nale spec ializzato. Un e lemento importante per valutare l' utili tà delle misure è rappresentato dal tempo con iJ quale queste vengono messe a di sposizione dell ' utente; vi sono infa tti utilizzi che richiedono informazioni in tempo quasi reale, ve ne sono aJtri invece che necessitano di aggiornamenti differiti nel tempo. Questo e le mento discriminante incide ovviamente sui mezzi e sui metodi di trasferimento delle informazioni e di e laborazione e, in ultimo, sul costo delle strutture e dei mezzi necessari .

222

5anni

Tabella 6.2 Esige11ze degli operatori. in Italia, per la pianificazione del territorio e potenzialità di immagini da satellite.

+

Risoluzione geometrica [m] 12,5 5,8 10 15 20 23,5

1 anno

=E o

26

~

16

§

o

+

~

·:;

~ o

1i"'i

+

·;;;;

~

30

lkonos Spot 5 pan IRS 1C/D Spot 4 pan

1--~~~~

~

~ Landsat 7 pan ro

5

1--~~~~~~

(/)

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'5

+

3

8.

Spot MS 1--~~~~~~~--'

IRS 1C USS

E 0,5

!--~~~~~~~~---'

(!!.

Landsat 5n MS

30 min 0,5

223

EU.MENTI DI GLOMATICA

CAPITOt O 6 • SISTEMI DI R IPR l..SA

10 30 160 250 1000 2500 Risoluzione geometrica [m]

Figura 6.18 a: Relazione tra risoluzione temporale e risoluzione geometrica in alcuni dei principali sistemi di ripresa da satellite in caso di acquisizione Nadirale. Con i sistemi di puntamento lungo la strisciata o lateralmente alla stessa. i tempi di rivisitazione possono essere rido/li creando 1u11avia maggiori problemi di distorsioni geometriche; b: confronto tra risoluzione geomeJrica (pixel) di alcuni sensori da satellite. QuickBird, non riportato. ha un pixel di 0,6 1111 di lato, cioè poco più di 114 del pixel di lkonos.

L a previsi one per i prossimi anni è di una ri chiesta di immagini con sempre migliori risoluzioni geometrica, spettral e, radiometri ca e temporale con conseguente aumento dei dati ricevuti, trasmessi e da elaborare, espressi in Mbps (M ega bit per secondo) . Questo modi fica la progettazione dei sensori e dei satelliti per l'Osservazione della Terra in direzione delle ri prese regional i, cioè l imitate alla raccolta dati i n una ben determi nata regione geografica. Le scelte progeuual i sono deri vate sia dalle possibili applicazioni che dalle esigenze degli utenti (Tabella 6.2).

Storia delle missioni spaziali L a conquista dello Spazio è sempre stata una delle affascinanti sfide che ha accompagnato l ' uomo nella sua stori a. Dal fo lle e affasci nante sogno di Icaro, passando attraverso i mitici voli di Astol fo in Paradiso e sulla Luna con un veicolo eccezionale, una cavalcatura fantastica, l ' Ippogri fo, alla ricerca del senno dell'eroe Orl ando, foll emente innamorato e non corri sposto da Angelica nell ' Orlando Furioso dell ' Ari osto; alle incredibili fantasti cherie di Giulio Yerne in Dalla Terra alla Luna che di vennero nell' immaginazione di un bambino la convinzione che il fantastico potesse essere realizzato. Hermann Julius Oberth (Tran silvania 1894 - Norimberga 1989) ne fu l 'artefice e progettò nella sua lunga vita i primi prototipi di razzi, i V-2, e partecipò allo sv iluppo del programma spaziale americano del dopoguerra. Nel 1923 contrastato dal mondo scienti fico, come sempre accade in questi casi (la sua tesi di Dottorato non fu accettata), pubblicò il primo volume riguardante la teori a di come mettere in orbita satelliti attorno alla Terra. Fu infine riconosciuta come una ricerca di fondamentale importanza per l ' umanità. Ne seguì una versione più completa nel 1929.

Applicazione Idrologia Umidità del suolo Precipitazioni Bilancio idrologico Copertura neve Equivalente in acqua dalla neve Censimento bacini artificiali Monitoraggio bacini artificiali Livello acque In fiumi e laghi Rete di drenaggio Suolo Unità di Suolo Stima qualitativa erosione Agricoltura Inventari nazionali Inventari locali Previsione delle rese Vegetazione Inventari nazionali Inventari locali Danni alle foreste Monitoraggio incendi Inventario incendi Fotogrammetria Cartografia > 1 :50.000 1 :5.000 -1 :50.000 cart. Tematica >1 :25.000 1 :5.000 -1 :25.000 Generazione DEM Geologia/Geomorfologia Litologia Analisi strutturale Unità geomorfologiche Fenomeni di dissesto Geotermia Archeologia Indicatori paleo-ambientali Tessiture ereditate Inquinamento Individuazione discariche Censimento discariche Censimento cave Inquinamento costiero Inquinamento marino Qualità acque interne Rischi Prevenzione alluvioni Controllo aree alluvìonate Stima estensione aree alluvionate Rischio sismico Individuazione faglie Accertamento danni Controllo vulcani Controllo eruzioni Stima estensione aree colpite Attività Umane Tipologia urbana Densità di popolazione Rete stradale primaria Rete stradale secondaria

Risoluzione Spaziale [m] 5-30 250-1.000 30 5-120 5-120 4-30 4-15 4-15 1-30

Regione Spettrale R R

M M M p

p p p p p

M M

Ripresa

T T

M M M

R R R R

R R

M

m m

m m m m m m

1-30 0,61-20

p

M

R

s

5-30 0,61-15 5-200

p

M M

R R

m m-s

5-30 0,61-15 3-120 0,61-30 0,61-30 10-200 0,61-10 4-200 0,61-1 5 1-20

m-s

M

m

M

p

M M

p p

M M

p

M M M M

p

p p

M

T

R R

m m-s

R

m m m

R

M

1-30 15-200 1-30 0,61-20 10-120

p

M M M M

0,61-20 0,61-20

p p

M M

R R

m

0,61-15 3-15 1-20 1-20 15-200 3-10

p

M M M M

R R

m-s m-s m-s

R

m

1-30 0,61-30 0,61-15

p p

p p

M

M

R

T

T

R R R

M M M

15-30 15-30

p

M

1-30-120 0,61-30

p p

M

0,61 -15 0,61-20 0,61-30 0,61-5

p

M

p p p

M M M

più-anni 3 mesi 3 mesi 15 gg 7 gg 3 mesi 3 mesi 7-30 gg alcune ore 3 mesi

1 anno m m-s m-s

s

m-s m

m m

M

p

7 gg 1 giorno 1 giorno 7 gg 16 gg annuale 16 gg 1 giorno 6 mesi

R

p p p p p

Frequenza Riprese

l'

più anni più anni più anni 1 mese 6 mesi più anni più anni 6 mesi 3 mesi 6 mesi 7 gg 1-7 gg 1-7 gg

R

m-s

R R

m m

3 mesi 1 giorno 1 giorno

R R

m-s m

3 mesi immediato

R R

m-s m-s

immediato 7-15 gg

m-s m-s m-s m-s

annuale annuale annuale annuale

P: Pancromatico, M: Multlspettrale, T: Termico, V: Visibile, VIR: Vicino Infrarosso, MIR: Medio Infrarosso, m: mono, s: stereo, R: Radar

224

Con il contributo fondamentale del suo allievo Wemher von. Braun (Figura 6.19) nel 1942 fu sperimentato il primo razzo V I a lunga g ittata e success ivamente nel 1944 lanciato il razzo V2 dal peso di J2 tonnellate a una distanza di circa 800 km. La storia cambiò ancora una volta quando il 4 ottobre 1957 l 'Uni one Sovieti ca l anciò con successo lo Sputnik 1, il primo satellite artificiale, non più gr ande di un pallone da pallacanestro, dal peso di circa 80 kg. Pur essendo questo lancio un evento singolo ha di fatto dato i I via alla competizione spaziale USA-URSS (Tabella 6.3). Il 12 apri le 1961 fu lanciata la prima navetta spaziale con a bordo l 'astronauta Yuri Cagarin dalla stazione spaziale di Baikonur in Unione Sovietica. Fu questo l ' ini zio della corsa spaziale verso la Luna, raggiunta dal LEM di Apo ll o 11 il 20 lug lio 1969 con a bordo g li astronauti americani Nei! Armstron.g e Edwin Aldrin, oltre al sempre dimenticato Michae/ Collins, rimasto sull' Apollo. L'era del Telerilevamento moderno co incide con il lancio del primo satellite artificiale per lo Studio e l' O sserv azione delle Ri sorse Terrestri ERTS (Earth Resources Technology Satellites) o Landsat- 1, il 23 lug lio 1972. Seguirono le mi ssioni dello Space Shuttle dal 1981 , navetta spazial e in grado di rientrare in atmosfera ed essere riutilizzata, i satelliti francesi SPOT, dal 22 febbraio 1986, a mi glio re risoluzione spaziale e capacità nominale stereoscopica, i satelliti con strumenti in banda radar ERS di ESA dal 1991 fino ai recenti satelliti commerciali e la complessa realizzaz ione del progetto della Stazione Spaziale lnternazionale JSS-Alpha iniziata nel 1998. Diversi sono i Paesi che hanno disponibili vettori per la messa in orbita di satelliti (Tabella 6.4). 1 Paesi europei aderenti ali ' Agenzia Spaziale Europea (ESA) hanno sviluppato il vettore Ariane, il cu i primo lancio è avvenuto nel 1979 dal centro spazi ale di Kourou nella Guiana Francese. Dal primo modello si è passati all 'Ariane 2 e 3 dal 1984, al più potente Ariane 4 nel 1988, fi no ali' Ariane 5 operativo dal 1999. L a differenza fra i vari m odelli è nella capacità di immissione in orbita del razzo: si possono immettere in or bita con Ariane 1 e 2 due tonnellate, oltre quattro con Ari ane 4, quasi sette con Ariane 5. Sono o rmai centinaia i satelliti messi in orbi ta grazie a questo affidabi le razzo europeo.

Figura 6.19 li Prof Hennann Oberth (a destra del razw) in procinto di provare uno dei suoi primi modelli in presenza del suo studente Wemher von Braw1 (se condo da destra). Tabella 6.4 Vettori per la mesm i11 orbita di satelliti.

Vettore Ariane 1-5 e Vega Atlas, Delta, Titan, Sea Launch, Pegasus

Tabella 6.3 le tappe della conquista dello Spazio.

Anno Anni '20

Vettore

225

faEMEKT I DI GEOMATICA

CAPITOLO 6 • SISTEMI DI RIPRESA

Novità

Razzi di Hermann Oberth

Pioniere dello Spazio

1944

V2: H. Oberth e W. von Braun

1957 1961 1969 1972 1978 1981 1985 1991 1998 1999

Sputnik-1 Vostok-1 LEM di Apollo 11 ERTS-1 (Landsat-1) Seasat Space Shuttle SPOT-1 ERS-1 Stazione Spaziale Internazionale ISS Satelliti commerciali

Missile balistico Razzi oltre l'atmosfera terrestre Satellite nello spazio Gagarin nello Spazio Armstrong e Aldrin sulla Luna Satellite ottico per Osservazione Terra Satellite radar per Osservazione Terra Riutilizzo della navetta spaziale Risoluzione 1Om Microonde attive SAR Permanente per esperimenti Risoluzione < 1m

Nazione Germania

Nazione Europa USA

Proton e Soyuz

Russia

Lunga Marcia

Cina Giappone

Hl e H2 GLSV

India

Germania URSS URSS USA USA USA USA Francia Varie (ESA) Internazionale USA

Ariane 5 è l' ultimo nato della famiglia e si di scosta molto dai precedenti. È alto 54 m etri ed è formato da 3 stadi: il primo è lungo 30 metri e diametro 5,4 metri e il suo motore Vulcain a idrogeno e ossigeno liquido fornisce la spinta principale al razzo. Ad aiutare il primo stadio vi sono due propul sori a propellente solido agganciati ai lati del primo stadi o; dopo aver bruciato per circa 2 minuti vengono sganciati e ricadono in mare. A circa 1O minuti dal lancio il motore del primo stadio viene spento ed entra in funzione il secondo che funziona a monometilidrazina e tetrossido di azoto. Questo funziona per 81 O secondi e porta definitivamente il carico utile in orbita. Viene usato per mettere in orbita due satelliti per volta e progettato per in viare verso la /nternational Space Station. ( fSS-Alpha) la capsula d i rifornimento automatica.

226

ELE~IENTI DI G tOMAl lCA

CAPll'OLO 6 • S ISTbMI DI RIPRESA

Per il lanc io di piccoli e medi satelliti in prevalenza commerciali l' Age nz ia Spaz iale Europea sta sviluppando il programma Vega, una nuova generazione di lanciato1i. Vega è un vettore di ridotte dimensioni, c irca 27 metri di altezza, una massa a l lancio di 128 tonne llate contro le 7 1O dell ' Ariane 5 progettato per rispondere al requisito base di lancio di un satellite, destinato a un'orbita polare bassa, inclinata di 90° rispetto all ' equatore, a una quota di 700 km. Nota di curi osità può riguardare il fatto che quando un sate llite esauri sce le sue sco11e di propellente, e quindi diventa inutilizzabile, vi ene a llo ntanato dall ' orbita causandone la perdita ne ll o spazio. Nel caso sia obsoleto dal punto di vista tecnologico ma poten zialmente ancora operativo, viene portato su un ' orbita più inte rna o su una diversa longitudine, per non intralciare il lavoro degli altri sate lliti, e riutilizzato in caso di e mergenza o di particolari necessità. Tabella 6.5 Definizioni. caratteristiche e specifiche aeronautico-spazia/i. Oggetto

Descrizione

Razzo

Endo-reattori a reazione termica utilizzabili anche fuori dall'atmosfera

Vettore

Razzo a vari stadi di cui l'ultimo stiva il satellite o aggancia la navicella da mettere in orbita

Satellite

oggetto in orbita intorno alla Terra

naturale (Luna) artificiale

Orbita

traiettoria descritta dal moto di un satellite intorno alla Terra

ellittica e governata dalle leggi di Keplero e Newton

Definiscono la posizione e velocità di un satellite

semiasse eccentricità inclinazione longitudine nodo ascendente angolo nodo ascendente-perigeo angolo posizione satellite-perigeo

Parametri orbitali

Specifiche

geostazionaria eliosincrona o polare

Definizioni di orbita

Inclinazione dell'orbita (i)

i = 0° i= 90° o < i < 90° 90° < i < 180°

Traccia

proiezione della traiettoria orbitale del satellite sulla superficie terrestre

equatoriale polare diretta retrograda

Piattaforma da satellite I satelliti per l 'Osservaz ione della Terra (OT) ven gono impiegati essenzialmente pe r due scopi: • c ivile; • militare.

227

De i satell iti ad uso militare poco è dato di conoscere sulle recenti evoluz ioni, me ntre sono 01mai di dominio pubblico le grandi capacità di analisi e indagine del territorio di c ui dotati, in termini di ri soluzione geometrica, radiometrica e tempora le. Per quanto riguarda gli usi civili, essi comprendono due tipi di a pplicazio ni : • meteorologiche, da c ui si ottengono dati per le previ ioni del tempo (Meteosat e NOAA), pe r lo studio dell ' atmosfera (Terra, ENV ISAT, ADEOS, METO P, etc.) • studio delle risorse terrestri. I sate lliti impiegati possono essere a utomati ci, come ne ll a magg ior parte dei casi (Terra, ENV ISAT, Landsat, SPOT, ERS , IRS, Resurs, etc.), o con equipaggio a bordo (Space Shullle). Le modalità di acqui sizione, sono identi che per tutti ; in gene re nadi ra li, da piattaforme in o rbita quasi-polare ed eli osincrona. Le piattaforme da satellite progettate per l'osservazione de ll a Terra, sono in continua evoluz ione. In seguito ai rilevanti sviluppi politico-economici a live llo mondial e, anche la Russia dalla fine degli anni '80 ha libera li zzato il commercio di immagini da satellite e fotografie dallo spazio (queste ultime acq ui site ne lle lunghe missioni spaziali con equipagg io, in precede nza rigorosamente coperte da segreto militare). Oltre alla Russia, Stati Uniti, Franc ia, Giappone e Comunità Europea, anche Canad a, Jndia, C ina, Brasile, Argentina, Israele, Germania e ltalia ono atti vi ne llo svi luppo di piattaforme satellitari con propri sensori e tecnologia e molli altri Paesi collaborano allo sviluppo di programmi inte rnazionali. La li beralizzazione de i limiti, soprattutto geometric i, ha portato allo sviluppo dei satelliti commerciali ad alta risoluzione. li Te lerilevamento da satellite offre agli operatori impegnati ne i problemi dell 'ambiente, de lJe ri sorse terrestri e della pi anificazione territoriale a lc une opportunità ri levanti sia pe r l'identificazione di oggetti che pe r la conoscenza di processi din amici di superficie. Sempre più spesso si ricorre in modo operativo all ' utilizzo di immagini provenie nti da sistemi strume nti-sensori diversi (Tabella 6.6), ciascuno più adatto a conoscere e svilu ppare un particolare aspetto del problema e che, cong iunti , consentono una sinergia altrimenti non possibile. Me ntre per le prime generazioni di sate ll iti e per quelli operativi commerciali si può sempre associare un satellite a uno o due sensori, per i programmi che preludono arti colate missioni scientifiche spe rimentali e anc he operative il quadro dei sensori trasportati è molto più complesso. II magg ior contributo ai fini de l controllo de lla superfic ie terrestre è stato offerto in successione dai primi anni settanta da siste mi satellitari quali Landsat e NOAA americani , e SPOT francese, ERS - 1 e 2 e uropei, Radarsat canadese, IRS I C e I D indiani, aventi a bordo strumenti di ripresa oltico-meccanic i o elettronic i tecnologicamente molto avanzati , che hanno affrontato in competizione e in modo di sgiunto specifiche problematic he, a volte anche convergenti negli inte nti , ma con scarsa o ridotta interazione e collaborazione. Le caratte ristic he strumentali del se nsore sono de finite in sede di progettazione, in fun zione delle informazioni che si intendono olle ne re. Gli obiettivi per c ui c iascun sensore è progettato sono in genere ben definiti e abbinati a una determinata reg ione dello spettro e lettromagnetico. Escludendo i sensori puntati verso lo spazio per lo studio de i siste mi solare e planetario e nonostante esistano num erosi sensori c he studiano il comportamento del Sole e dell' atmosfera e i fenomeni ad essi legati o c he ne inffoe nzano il comportamento, in questo Volume vengono trattati soltanto i sensori che producono immagini della superficie terracquea, c ioè i sate lliti per l'Osservazione della Terra (OT) che studiano le risorse terrestri . In un successivo paragrafo in questo stesso Capitolo è riportata una breve introduz ione a EUMETSAT, organi zzazione inter-governativa che si occupa del contro llo del clima, della diffusione dei dati meteorologici e del corretto fun z ionamento dei satelliti meteorologic i in orbita.

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ELE~1ENTI DI GEOMATICA

CAPITOLO 6 • S ISTEMI DI RI PRESA

0

Tabella 6.6 Principali strumenti per lo studio del/ at111osfera e della supe rficie terrestre e loro utilizza.

Strumento

Risoluzione [m] 1-1100

Misura della radianza di elementi del globo terracqueo

Radiometri ottico passivo IRTermico

15-1000

Misura della temperatura superficiale dei corpi

Radiometri microonde passive

4-75 Km

Misura della radianza di elementi del globo terracqueo nelle microonde

Radar Microonde attive

10-100

Misura dei segnali di retrodiffusione degli elementi sul globo terracqueo

Radar altimetro

centimetri

Misura delle altezze di oggetti posti sulla superficie terrestre Misura dello spessore dei ghiacciai

Laser altimetro

0,1

Misura delle altezze di oggetti posti sulla superficie terrestre

Scatterometro

6-50 Km

Lidar per vento troposferico

zato il sensore Relurn Beam Vidicon (RBV), videocamera multispettrale, dei satelliti L andsat di prima generazione e molti satelliti geostazionari ; • ottico-meccanici a specchio rotanle: acquisisce informazi oni mediante un sensore solidale a uno specchio basculante in direzione perpendicol are all a traiettoria della piattaforma; al termine di ogni oscillazi one si ottiene una stri sciata suddivisa in un numero di pixel fun zi onale alla ri soluzione del sensore stesso. L a limitazione principale di questa modalità di ril evamento riguarda il tempo limitato che il rivelatore ha per ottenere informazioni e questo porta alla necessità di avere sempre sotto controllo il rapporto segnale-rumore dello strumento. L sensori AYHRR del NOAA, M SS, TM e ETM+ dei satelliti Land sat sono caralleri zzati da acquisizioni di questo tipo; • e/emenli e/e/Ironici posizionati in serie su una barretta: sensori pushbroom seri e lineare di rivel atori che visualizzano contemporaneamente la superficie esaminata; la linea intera di sensori descri ve la stri sciata, mentre ciascun ri velatore individua il singolo pi xel. Questa soluzione migliora il rapporto segnale-rumore dovuta al ri stretto tempo di acquisi zione, ma, nel contempo, è necessario che i sensori che costitui scono l a seri e lineare vengano tra loro opportun amente calibrati , affinché vengano raccolti dati fi sicamente corretti . SPOT, IRS e tutti i satelliti commerciali di nuova generazione sono strutturati in questo modo. Questi sistemi hanno uno o più canali operati vi nell ' intervall o di fun zionamento compreso tra circa 0,4 µm e 2,0 µmdi lunghezza d'onda, dal vi sibil e al medio infrarosso, e da 3-5 µm a 10- 12,5 µ111 per gli strumenti sensibili nell ' infrarosso termico. Le acquisizioni possono essere poi monoscopiche, se viene ripresa una sola scena al passaggio del satellite, o stereoscopiche, se ne vengono prese almeno 2 con angoli di visione di versi ; le prese possono essere sulla linea di volo, cioè sulla stessa stri sciata o orbita con cambiamento dell' angolo di visione della stessa scena in un tempo successivo, oppure con vi sione laterale e puntamento sulla stessa scena nel corso di un orbita successiva a quella di riferimento (Figura 6.20).

Obiettivo

Radiometri ottico passivo nel visibile e vicino infrarosso

Misure della velocità e direzione del vento Bilancio radiativo Sondaggio passivo dell'atmosfera Chimica della troposfera Tecnologia laser allo stato solido

l satelliti per le teleosservazioni che si trovano in orbita intorno al la Terra viaggiano a velocità superiori a 30.000 km/ h senza bisogno della spinta di motori perché alle quote superiori a 400 km l 'atmosfera è rarefatta o inesistente, in prati ca come nel vuoto. In realtà la presenza anche di piccolissime quantità di ossigeno e azoto ioni zzati esercita una impercettibile resi stenza al moto dei satelliti richiedendo la continuo conoscenza sia dell ' orbita che della velocità e il periodico intervento delle stazioni di controllo terrestri per eventuali correzioni po ssibili con l'accensione di piccoli propul sori a bordo per riportare il satellite nelle condizioni orbitali volute. Se non ci fossero ques te possibilità di correzione, il satellite non pi ì:1 sostenuto dalla forza centrifuga comincerebbe a perdere quota rientrando quindi nel campo gravitazionale terrestre e nell 'atmosfera disintegrandosi. Gli strumenti piì:1 utilizzati a bordo di satelliti e aerei sono i sistemi a scansione a immagine differita. I sistemi passivi si limitano a registrare la radi azione riflessa o emessa da una superfi cie, mentre quelli attivi , i radar, inviano impulsi di energia a microonde il cui segnale di ritorno è registrato e amplificato da un sistema antenna-ricevitore radio. Gli strumenti a scansione passivi sono utilizzati per la ripresa di serie ordinate di strisce della superficie, in modo ortogonale ri spetto alla linea di avanzamento, in una o più bande dello spettro elettromagnetico. J sistemi p assivi , come gi à descritto in precedenza, sono caratteri zzati da tre modalità di acqui sizione dei dati , in funzione dei meccanismi utilizzati per la vi sualizzazione di ciascun pixel : • a prospettiva centrale: consiste nella visualizzazione della scena intera da un punto di vista posto al centro della futura immagine. Questa procedura accompagnata da una non trascurabile distorsione geometri ca, crescente avvicinandosi ai bordi della scena, ha car atteri z-

229

Intervalli spettrali dei sensori su satelliti

I

Prima di iniziare la descrizione sia dei programmi spaziali che dei singoli satelliti , per meglio comprenderne le analogie e di fferenze, si introduce la defini zione e descri zione degli intervalli, o bande, o canali spettrali, che caratterizzano i sensori dei satelliti operanti nell 'ottico riflesso ed emesso più comunemente usati (Figure 6.2 1 e 6.22), rimandando per le frequenze nel dominio delle microonde al Capi tolo 4: • 0,50-0,75 µm (pancromatico-Pan-? ): con limitata defi nizi one spettrale, dà un importante contributo spaziale allo studi o delle immagini avendo ri soluzione geometrica almeno quattro volte migliore ri spetto agli equi valenti canali multi spettrali ; • 0,45-0,52 p m (blu-verde): intervallo spettral e utilizzato per lo studio della trasparenza dell 'acqua a motivo dell a sua limitata ma significativa penetrazione nei corpi idrici. N ell a vegetazione sono osservabili cambiamenti dovuti al rapporto dei pigmenti clorofill a/ carotenoidi e quindi fenomeni di stress; • 0,52-0,60 J.lln (ve rde): intervallo prescelto per misurare il picco di rifl essi one della vegetazione all a lunghezza d'onda corri spondente al verde, per la determin azione dello stato di vi gore della stessa. Per i corpi idrici, il rapporto con la banda del blu-verde forni sce informazioni sul plancton e sui materiali organici in sospensi one; • 0,63-0,69 µm (rosso): banda fondamental e per la diversificazione tra classi di vegetazione, per effetto dei diversi valori di assorbimento della clorofill a tra le specie e la sensibilità al

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CAPITOLO 6

S ISTE\1 1 01 RI PRLSA

23 1

fabM ENTI DI GEOMATICA

Visione stereoscopica sulla linea di volo

Visione laterale alla linea di volo

banda TM1 : 0,45 -0,52 µm

banda TM2: 0,52 -0,60 µm

banda TM 3: 0,63 -0 ,69 µm

banda TM4: 0,76-0,90 µm

banda TM5: 1,55-1,75 µm

banda TM6: 10,4-12,5 µm

Figura 6.20 Riprese stereoscopiche sulla linea di volo nel corso della stessa orbita e con visione la1erale in im ·orbita diversa.

Fattori dominanti sulla riftettanza fogliare Pigmenti fogliari

Struttura fogliare

Sistemi di ripresa

Contenuto d'acqua

Satellite

Sensore

50 NOAA

40

=

=

=

il

~ e..... ro

N

30