Appunti di Telerilevamento e Gis

21-02 -19 →

Geomatica (Geodesia + informatica) = evoluzione della topografia tutti gli strumenti sono

Informatici.

Programma

 Telerilevamento = rilevamento da lontano e problemi geodetici - cartografi

 Sistemi LIDAR = scansione laser del terreno in 3D

 Sistemi UAV = rilevamento con droni

 Immagini digitali

Introduzione al telerilevamento:

 radiazione e spettro elettromagnetico (multispettralità)

 principali piattaforme e missioni del telerilevamento ottico

 visualizzazione ed elaborazione delle immagini satellitari

 pre-processamento delle immagini

 cenni sui sensori attivi a microonde

sistemi informativi (GIS):

 strumento georeferenziato (necessita di un sistema di riferimento terrestre).

un GIS deve essere in grado di mettere insieme più dati differenti.

Laser Scanner

lidar = laser scanner

 →

scanner laser aereo (ALS) si muove dopo la scansione, per interpolazione si crea la

→

superficie (precisione 10-15 cm per punto) in 3D precisione molto accurata con alta

densità e ottima qualità.

Il prodotto di queste scansioni è una nuvola di punti che ha diverse applicazioni ad esempio si

possono modellare 3D intere aree urbane.

 →

scanner laser terreste (TLS) sta fermo, si scansiona ripetutamente lo stesso punto e si

ottengono migliaia di dati.

Modello 3D di un edificio o di un qualsiasi oggetto (precisione 3-5mm per punto). Avremo una

geometria precisissima con tanto di associazione di colori (pixel).

Si possono fare rilievi di elevata precisione, ad esempio una mappature del manto stradale.

TELERILEVAMENTO

Il telerilevamento ha molte applicazioni:

GIS

Ha potenzialmente infinite applicazioni

Razi = ai layer che si possono inserire

25-02-19

Ripasso di geodesia e cartografia

GEODESIA: studio forma della terra e posizione elementi sulla terra.

Sistema di coordinate composta da longitudine e latitudine.

Sono coordinate curvilinee relative a un ellissoide di riferimento. Si approssima il geoide

all’ellissoide. Il geoide indica la superficie equipotenziale della forza gravitazionale della terra.

Per descrivere l'ellissoide si utilizzano 2 parametri: semi-asse maggiore e semi-asse minore.

Oltre alla dimensione si può descrivere l’orientamento dell'ellissoide.

ORIENTARE L’ELLISSOIDE = far combaciare la normale dell’ellissoide alla verticale del geoide.

L’orientamento è importante perché così posso rendere le coordinate più precise. Creare più

sistemi geodetici però può creare problemi in quanto avrò più sistemi di riferimento diversi. Con

→

l'avvento del GPS si viene a creare un sistema geodetico globale WGS 84

Questo sistema è geocentrico, cioè il suo centro corrisponde al suo centro di massa.

L’ellissoide cerca di “corrispondere” il più possibile al geoide.

=

{ → sono coordinate valide per tutti

 =

Manca poi da definire la quota. Il mareografo indica la quota zero attraverso l'analisi del mare.

Il mare calmo indica la superficie equipotenziale. La differenza tra geoide e ellissoide si chiama

ondulazione. (

→ =ℎ− = )

il GPS mi fornisce la quota ellissoidica (h).

N viene fornito da modelli matematici. L'ellissoide si discosta di più o di meno dal geoide a

seconda della composizione del terreno (densità).

I modelli matematici per ricavare N possono essere globali o locali.

Cartografia

Ci sono problemi di rappresentazione dell'ellissoide sulla carta. Avremo una rappresentazione più

o meno deformata.

Si è pensato di proiettare l'ellissoide su altre figure geometriche ma il problema di deformazione

persiste. Si è provata la descrizione tramite formule matematiche, ma il problema persiste. Si

passa da coordinate sferiche a coordinate cartesiane: 

= (, )

{ 

= (, )

Gauss ha sviluppato delle formule di trasformazione conformi (che non alterano la forma) per

rappresentare l'ellissoide sul piano. La formula è accettabile per fusi di larghezza di 6 gradi. Oltre,

la deformazione diventa inaccettabile. Con queste formule si passa al sistema UTM.

Sommando 500 km al calcolo finale avrò sempre coordinate positive.

Poi si moltiplica tutto per un coefficiente di contrazione.

→

WGS 84 UTM

In Italia invece attraverso le formule di Giovanni Boaga possiamo passare da ROMA 40 a UTM.

L’Italia viene rappresentata su 2 fusi:

 fuso ovest = fuso 32 indicato con 1

 fuso est = fuso 33 indicato con 2

Datum o sistemi geodetici Sistemi di rappresentazione

ED50 UTM-ED50

ROMA40 GAUSS-BOAGA

WGS84 UTM-WGS84

Latitudine, Longitudine Est, Ovest

Gradi Metri

Coordinate geografiche Coordinate piane

Avendo punti noti in entrambi i sistemi, posso ricavare i parametri per passare da un sistema

all'altro. Nella topografia moderna i punti non sono più fissi ma si muovono, quindi i sistemi di

riferimento non sono immutabili ma cambiano. Questo cambia il modo di vedere la topografia.

La cartografia è diventata completamente numerica(digitale). Prima si doveva digitalizzare;

partendo dalla fotogrammetria aerea si arriva alla parte digitale.

molto importante nella cartografia è la scala:

↓ ↑ ↑

SCALA DETTAGLIO PRECISIONE

Prima esisteva anche l'errore di graficismo dato dal pennino usato per disegnare la carta (pari a 0,2

mm). →

Maggiore sarà la scala e maggiore sarà l'errore 1:5000 errore di 1 m.

Questo errore è frutto di tutto il processo di creazione della carta.

Il concetto di scala si mantiene anche oggi nella cartografia numerica (scala nominale) così

possiamo sapere quanto sia elevato il grado di dettaglio e il grado di errore nel corrispettivo

cartaceo.

Nella cartografia numerica dobbiamo sapere noi la scala di riferimento, in quanto il software non

può saperlo a priori. Attenzione alla scala di stampa: mai stampare con scala più grande di quella

della carta.

Nelle carte si possono associare anche attributi (codici). Si possono così distinguere i vari elementi

geometrici nella carta aggiungendo ad essi informazioni. Si lavorerà sempre con il WGS84 ma

potrebbe capitare di avere sotto mano dati in altri formati.

www.epsg.org è un archivio con tutti i dati e tutti i sistemi geodetici e di riferimento. Nei GIS

abbiamo tantissimi sistemi di riferimento e il sito di sopra può essere utile.

Come detto prima servono delle formule di trasformazione per passare da un sistema geodetico

ad un altro. nel WGS84 è annessa una tabella per passare da un sistema geodetico a WGS84 e

viceversa, è una conversione “globale”.

Per passare da un sistema a un altro si può anche passare per il WGS84.

Precisione GPS: qualche centimetro in movimento (rete di GPA) 1 centimetro o meno da fermo.

Un solo GPS avrà una precisione peggiore. Bisogna tener presente dello sfasamento temporale tra

ricevitore e sistema GPS.

Bisogna conoscere 4 coordinate (x, y, z, t), quindi necessitiamo del segnale di almeno 4 satelliti.

z = asse di rotazione

x = Greenwich

⟘

y xz

 , ℎ) → (, . )

(,

Per eliminare gli errori dati dallo sfasamento temporale ad esempio, si lavorerà in relativo (almeno

con 2 stazioni quindi). Questo perché cosi si possono gli eliminare gli errori sistematici.

Il GPS misura le quote ellissoidiche, quindi c'è una differenza di quota rispetto a quelle a livello del

→ ℎ = + .

mare

I SISTEMI LASERSCANNER

In output avremo una densa nuvola di punti in 3D. Avremo quindi una rappresentazione

tridimensionale del terreno e degli elementi su di esso. 1 punto ha precisione 15 cm.

LIDAR (Light Detection And Ranging)

questo sistema ha applicazione terrestre (fissa o mobile), marina o aerea. Ha varie applicazioni

nella progettazione. L’area colpita dal laser è molto ridotta. Ogni raggio laser genera un punto

della nuvola. Ogni punto analizzato ha un corrispettivo pixel in output nel programma con annessi

attributi.

Sistemi Laserscan Aviotrasportati

C'è un LASER scanner che “pennella” il terreno sorvolato dall'aereo.

Larghezza del corridoio della scansione (swath)

La rilevazione avviene in maniera sistematica. L’aereo si trova a una quota di 800-1000 metri.

Sull’aereo troviamo un laser che scansiona il terreno, un GPS e un IMV. È un sistema attivo perché

il laser spedisce il segnale. La dimensione del raggio laser dipende dalla distanza del raggio dal

terreno (laser footprint).

Il laser spedisce un segnale che rimbalza e torna indietro. Da ciò posso capire la distanza tra il

terreno e l’aereo (attraverso t).

Il GPS ci dà la posizione dell'aereo durante la scansione e quindi del laser.

Oltre a ciò serve conoscere la direzione del laser (angoli) in quanto l’aereo non resta sempre

orizzontale. Grazie a un gruppo di giroscopi (IMU o INS) posso sapere i 3 angoli di assetto

dell'aereo (rollio, beccheggio, sbandata).

Abbiamo così dei dati con un errore di 15 cm (ottima precisione per molte applicazioni).

Nota:

GNSS (GPS è l'acronimo americano).

28-02-19

Il rilievo laser scanner aereo fornisce un DSM e non un DTM (o DEM). Questo perché il laser non

riesce a penetrare tetti di case o fitte foreste. Se il GPS aggiorna ogni secondo la sua posizione, ma

il laser emette un numero molto superiore di scansioni, le varie posizioni verranno ricavate per

interpolazione. 

→ , ,

{ ( )

→ 84

→

Sarà presente una stazione GPS fissa vicina alla zona di volo (stazione master) che riceverà i dati

della scansione e che elaborerà i dati (elaborazione cinematica). Più è distante la stazione e

maggiore sarà l'errore. È possibile istallare sull’aereo un sensore multispettrale o una videocamera

per avere immagini colorate.

I dati sull’aereo vengono sincronizzati per mezzo di un drone (UAV). Il processing dei dati è un

processo non molto complicato ma pesante dal punto di vista delle risorse. Dopodiché si passa al

controllo qualità dei dati, alla scelta dei punti migliori per un determinato utilizzo e alla

classificazione dei punti in categorie (materiale, oggetto, ecc..). È necessario poi passare da un

insieme di punti a una superficie:

Ci saranno molte scansioni della stessa area poiché il footprint è piccolo (le aree si

sovrapporranno).

Come già detto i dati vengono riferiti rispetto all’ellissoide e non al geoide. Serve passare al geoide

poiché l’ellissoide non è ortogonale alla forza di gravità serve ricorrere ai modelli matematici

accennati prima. È possibile calcolare N localmente se si riesce a calcolare sia h (GPS) che H.

LASER

 trasforma l'energia in radiazione elettromagnetica di tipo ottico

 ha una divergenza (angolo solido) molto piccola ma una grande potenza

 ha un fascio monocromatico (unica lunghezza d'onda)

 la maggior parte dei laser ha lunghezza d’onda di circa 900-1000 nanometri

Il tempo che impiega il laser per andare e tornare di chiama tempo di volo (T.O.F). Bisogna avere

un orologio molto preciso per riuscire a misurare il T.O.F.

La frequenza del laser incide sulla distanza massima del segnale.

piano di volo di scansione con annessa sovrapposizione

A seconda del numero di punti della soglia di errore delle misure e della zona da coprire si decide il

numero di scansioni e la velocità dell'aereo (c'è comunque una velocità minima). Se il terreno non

fosse piano si potrebbe avere disomogeneità tra i punti (cambia il footprint), conviene allora fare

più voli a diverse quote.

L'intensità del segnale di ritorno dipende dal materiale che lo riflette. Oltre che alle 3 coordinate

otteniamo l’intensità del laser per ogni punto. Possiamo associare a ogni valore di intensità un

colore (in scala di grigi). Si ottiene così un immagine in scala di grigi degli elementi colpiti dal raggio

questo non basta per determinare in automatico l’elemento colpito dal raggio.

Questa misura serve quindi solo per misurare la distanza.

Cosa succede se il laser colpisce un albero? Si utilizzano sistemi a risposta multipla (echi o ritorni).

Supporta fino a 4 echi di ritorno.

Questo vuol dire che il laser prima di tornare indietro può toccare 4 punti (ad esempio i rami degli

alberi).

Così si possono ottenere punti della superficie anche in presenza di alberi. L'output dei dati sono

dei numeri (file di testo con valori in UTM-WGS84 e quota ellissoidica), che possono poi essere

classificati.

Se la zona da scansionare molto inclinata il footprint diventa un’ellisse e ciò comporta un errore.

Errore = tg(Δ) · S

La calibrazione degli strumenti avviene a terra.

I raggi inclinati possono essere affetti da un effetto ombra:

una stessa posizione potrebbe avere 2 quote.

4-03-19

PROBLEMI DI QUALITÀ DEI DATI

Possibili fonti di errore:

 strumenti

 effetti atmosferici

 target

 elaborazione

 errore umano

Per confrontare i punti ricavati con i laser scanner posso ricorrere al GPS. Verifico che le

coordinate del punto analizzato dal laser scanner coincidano con il GPS.

Dai dati ricavati possiamo ottenere:

 nuvole di punti

 DEM (modelli a griglia con quote)

 carta a curve di livello (isoipse)

 breaklines (salti di quota)

 prodotti avanzati

Di solito abbiamo grandi quantità di dati. Una griglia DEM viene ricavata per interpolazione

formato (ESRI O ASCII).

i dati di solito sono in formato LAS. A seconda di quello che il committente chiede si avrà bisogno

di materiale specifico. E’ bene avere la consapevolezza della qualità dei propri dati. I dati possono

essere visualizzati in vario modo (ombre, quote ecc..).

Come si fa a passare dal DSM al DTM? Si filtrano i dati attraverso degli algoritmi con criteri

geometrici. E’ un processo iterativo: Si impostano i punti iniziali e i parametri di soglia massimi

(distanza, pendenza ,finestra di ricerca); dopodiché si ricavano i punti.

Attraverso il filtraggio si passa da una nuvola di punti a un modello solido. E’ essenziale avere una

quantità molto elevata di punti. La parte più costosa del LIDAR è il volo di scansione (55% del costo

totale). C’è un iter specifico da seguire per passare dalla stipulazione del contratto alla scansione.

Le applicazioni possibili sono in ambito:

 forestale

 urbano

 gestione del rischio alluvioni e frane

 vulcanico

 rilievo montagne e ghiacciai

 censimenti

 multitemporalità

I dati lidar possono essere gestiti da diversi software anche gratuiti.

RILIEVO LASER TERRESTRE (TLS)

Scanner fisso con precisione del millimetro. Sistema a proiezione di luce strutturata (meccanica di

alta precisione). L'area di azione è molto ridotta. Queste scansioni possono avere varie applicazioni

(educazione, costruzioni, mediche, militare). A differenza delle scansioni aeree abbiamo quindi

una maggiore precisione a discapito dell’area di azione. Si usano sistemi di triangolazione per

ricavare la posizione. Stando fermi il sistema di riferimento è locale con lo zero dove è fisso lo

strumento (non è georeferenziato). Per le applicazioni impiegate ciò non è un problema (alla fine

interessa il modello 3D).

BIM = building information model

Scansione che ha come risultato un modello 3D costruito nel tempo.

→

HBIM = historical building information model edificio già esistente

i laser scanner acquisiscono milioni di punti al secondo. Quelli terrestri si dividono in:

 ranging scanner

 triangulation scanner RANGING SCANNER

La distanza dei punti può essere ricavata in 2 modi:

 T.O.F. (già trattato negli scanner aerei)

 comparazione di fase (trattata in topografia)

Il laser scanner terrestre non ha bisogno di essere messo sulla verticale (problema con il sistema di

riferimento).Stando fermo non ha nessun sistema inerziale e non ha bisogno del GPS.

TRIANGULATION SCANNER

Triangolazione perché da 2 punti ricavo il 3°.

F = focale della lente

P = pixel dell'immagine

la ho per costruzione

lo ricavo

d è noto.

SCANNER A PROIEZIONE DI LUCE STRUTTURATA

Proietta luce bianca sull'oggetto e realizza una sorta di video che frame by frame realizza un

modello 3D dell’oggetto ancora più preciso. Al laser scanner si può affiancare una fotocamera così

da poter associare a RGB. I laser terrestri hanno una classe di sicurezza bassa (classe 1).

Come passo da una nuvola di punti a una superficie? Si connettono i punti tramite triangoli, così da

diventare una superficie (mesh).

(potrebbe esserci la presenza di qualche lacuna buco)

I triangoli ricavati devono essere il più equilateri o equiangoli possibili. Più solo equiangoli o

equilateri e minore sarà l'errore. Si usa un metodo di costruzione:

Criterio di Delaunay triangolazione ottimale

Se da 3 punti realizzo il cerchio circoscritto che non contiene altri punti, allora il triangolo è il più

equiangolo possibile. Dopo aver fatto la mesh posso sezionare il modello. Ormai ci sono algoritmi

che calcolano le mesh.

Quali problemi ci possono essere di acquisizione?

 servono diverse misurazioni

 serve una buona sovrapposizione di dati (almeno il 40%)

 bisogna anche decidere il