capitolo 3 satelliti, sensori e formati di dati fondamentali a. dermanis, l. biagi

Capitolo 3Capitolo 3

Satelliti, SensoriSatelliti, SensoriE Formati di DatiE Formati di Dati

FondamentFondamentaliali

A. Dermanis, L. Biagi

Perché satelliti

• Sensori in orbita regolare,• immagini relativamente economiche (Ikonos: 16 E Km2),• ripetizioni relativamente frequenti (Landsat 7: 16 giorni):

possibilità di analisi ambientali e territoriali periodiche.

Però (tradizionalmente) sensori a bassa risoluzione:

Landsat 1 MSS: 80 80 m, SPOT 4 HRVIR: 20 20 m

Solo cartografia tematica, non cartografia metrica.


Le orbite

Regole: leggi di Keplero:l’orbita di un satellite occupa un ellissi piana, di cui la Terra occupa un fuoco,il segmento dal centro della Terra al satellite spazza aree uguali in tempi uguali,il cubo del semiasse maggiore dell’orbita è proporzionale al quadrato del periodo.

Inoltre:a causa dello schiacciamento terrestre, precessione del piano orbitale,a causa della disomogeneità terrestre e delle altre forze agenti sul satellite, perturbazioni e degradazione dell’orbita.


I parametri d’orbitaa ed e: semiasse maggiore ed eccentricità dell’orbita.

i: inclinazione dell’orbita, ovvero angolo fra piano orbitale e piano equatoriale di riferimento.

: ascensione retta del nodo ascendente, ovvero angolo sul piano equatoriale di riferimento fra direzione dell’equinozio di riferimento e piano orbitale.

: argomento del perigeo, ovvero angolo sul piano orbitale fra l’intersezione del piano orbitale con l’equatore di riferimento e la direzione del perigeo dell’orbita.


Caratteristiche delle orbite

Periodo: tempo necessario per ripassare dallo stesso punto in un sistema di riferimento inerziale geocentrico.

Ciclo di ripetizione:tempo necessario per riprendere la stessa scena al suolo.

Nota: la Terra ruota, perciò periodo e cdr non coincidono.

Quota di volo: distanza del satellite dalla superficie della Terra.

Traccia al suolo: proiezione ortogonale dell’orbita sulla superficie della Terra.


Fondamentali per satelliti e sensori

Orbite, requisiti:

1. osservare la Terra quando è illuminata dal (riflette il) Sole:

orbita eliosincrona;

2. osservare la maggior parte possibile del pianeta il più spesso possibile: basso ciclo di ripetizione;

3. osservare la Terra da distanza costante:

orbita circolare.

Tutti i parametri d’orbita sono univocamente determinati dalle leggi di Keplero, una volta scelto il ciclo di ripetizione/la quota di volo.


Le tracce al suolo: l’esempio di SPOT4


Classificazione delle immaginiSpettrale

Pancromatiche Scala di grigi sullo spettro visibile

Multispettrali In genere B/G/R + una o più bande in infrarosso

Iperspettrali 100 bande

Pan-sharpened Fusione di pancromatico e multispettrale

Risoluzione (m) Definizione Scala di applicazione

0.5 – 1 Altissima 1:1000 - 1:10000

1 – 4 alta 1:10000 - 1:15000

4 – 12 media 1:15000 - 1:25000

12 – 50 bassa 1:25000 - 1:100000

50 – 250 molto bassa 1:100000 - 1:500000

> 250 Bassissima < 1:500000

Spaziale


LANDSAT 7 SPOT 4

SATELLITI & SENSORI

ETM+Enhanced Thematic Mapper7 bande

2 HRVIR High Resolution Visible Infrared4 bande


Sensori• Spatial resolution (risoluzione

spaziale): dimensione del (distanza fra i centri dei) pixel al suolo.

• IFOV (Campo istantaneo di Vista): corrispondente angolo nel sensore.

• Swath (falciata!): ampiezza dell’immagine, nella direzione ortogonale alla traccia del satellite al suolo.

• FOV (Campo di Vista): corrispondente angolo nel sensore.


I satelliti: la serie Landsat

Landsat 1: dal 1972 al 1978, MSS, RBV



Landsat 4: dal 1982 al 1995, MSS, TM

Landsat 5: dal 1984, MSS (spento), TM

Landsat 6: lancio fallito

Landsat 7: dal 1999, ETM+


I satelliti: la serie SPOT

SPOT 1: dal 1986 al 1994, 2 HRV

SPOT 2: dal 1990, 2 HRV

SPOT 3: dal 1993 al 1997, 2 HRV

SPOT 4: dal 1998, 2 HRVIR, VGT

SPOT 5: dal 2002, 2 HRG


Landsat 4 e 5

TM (Thematic Mapper) Landsat 4 e 5

Risoluzione spettrale: Banda

lunghezza d’onda (m)

1 0.45 0.52 blu

2 0.52 0.60 verde

3 0.63 0.69 rosso

4 0.76 0.90 infrarosso vicino

5 1.55 1.75 infrarosso medio


6 10.40 12.50 infrarosso termico

Risoluzione spaziale: 3030 m, Banda 6: 120120 m

Swath: 185 km

Risoluzione radiometrica: 256 valori (8 bit)

Risoluzione temporale: 16 giorni

Nota: il TM rappresenta un’evoluzione del precedente Multispectral Scanner (MSS)


Landsat 7

ETM+ (Enhanced Thematic Mapper) Landsat 7

Risoluzione spettrale: Banda

lunghezza d’onda (m)

Pan

0.52 0.90 pancromatica

1 0.45 0.515 blu

2 0.525 0.605 verde

3 0.63 0.690 rosso

4 0.75 0.90 infrarosso vicino



6 10.40 12.50 infrarosso termico

Risoluzione spaziale: 3030 m, Banda 6: 6060 m, Pan: 1515 m

Swath: 185 km

Risoluzione radiometrica: 256 valori (8 bit)

Risoluzione temporale: 16 giorni


HRVIR (High Resolution Visible Infrared), SPOT 4 Risoluzione spettrale:

Banda lunghezza d’onda (m) Pan 0.61 0.68 pancromatico

1 0.50 0.59 verde 2 0.61 0.68 rosso 3 0.79 0.89 infrarosso vicino 4 1.58 1.75 infrarosso medio

Risoluzione spaziale: 2020 m, Banda 2 anche 1010 m, Pan 1010 m Swath: 60 km Risoluzione radiometrica: 256 valori (8 bit) Risoluzione temporale: 26 giorni

Due HRVIR accoppiati (3 Km di sovrapposizione): swath totale 117 Km

I sensori possono essere ruotati sino a 27° fuori nadir per visioni stereoscopiche e ricostruzioni 3D della superficie del pianeta (metodi della fotogrammetria applicati a dati telerilevati, qui non trattati)


SPOT4

SPOT5HRG (High Resolution Geometry), SPOT 5

Risoluzione spettrale: Banda lunghezza d’onda (m)

Pan 0.48 0.71 pancromatico 1 0.50 0.59 verde 2 0.61 0.68 rosso 3 0.79 0.89 infrarosso vicino 4 1.58 1.75 infrarosso medio

Risoluzione spaziale: 10 10 m, Banda 4 2020 m, Pan 5 5, (derivato: 2.5 2.5 m) Swath: 60 km Risoluzione radiometrica: 256 valori (8 bit) Risoluzione temporale: 26 giorni

Come per SPOT4, doppio sensore e possibilità di prese fuori nadir

Vengono rivenduti anche prodotti derivati dalle immagini originali:•pancromatiche a 2.5 × 2.5 m di risoluzione,•a colori con 5 × 5 m di risoluzioneottenuti mediante metodi di analisi di immagini digitali (qui non trattati)


Landsat 4, TM

Banda 1

(blu)

Banda 4

(infr. vicino)

Banda 6

(inf. termico)


La nuova generazione: Ikonos, QuickBird, EROS

• Ikonos (Immagine) II: in orbita dal 1999

Banda m)

Pan 0.45-0.90 Pancromatico

MS1 0.45-0.53 Blu

MS2 0.52-0.61 Verde

MS3 0.64-0.72 Rosso

MS4 0.77-0.88 Infrarosso vicino

Risoluzione spaziale (al nadir): pancromatico: 1 1 m; multispettrale: 3.2 3.2 mSwath: 11 KmRisoluzione radiometrica: 11 bit (2048 valori)Risoluzione temporale: 11 giorni al nadirPossibilità di orientamento fuori nadir sino a 26°


Ikonos II, composizione RGB delle bande rossa, verde e blu

Giappone, Enoki tunnel, ottobre 2004: prima e dopo un evento franoso


Gli altri satelliti di nuova generazione

EROS

• n° bande: 1 PAN• risoluzione: 1.8 × 1.8 m, 11 bit• ciclo di ripetizione:

QuickBird

• n° bande: PAN + Multispettrale (4 bande)• risoluzione: P: 0.61 × 0.61 m, MS: 2.44 × 2.44 m, 11 bit• ciclo di ripetizione: 5 giorni al nadir

Prese fuori nadir (45° e 25° rispettivamente)


RISOLUZIONE dei DATI

Risoluzione spaziale: no. di pixel per superficie al suoloAumenta diminuendo la dimensione dei pixel

Risoluzione spettrale: no di bande per lunghezza d’onda In generale: aumenta con il numero di bandeLocalmente: aumenta quando la differenza di lunghezza d’onda fra bande diminuisce

Risoluzione temporale: no di passaggi nel tempoCresce quando l’intervallo temporale fra passaggi successivi su un’area diminuisce

Risoluzione radiometrica:no di valori per la scala dei grigi = 2p

p = numbero di bit per singolo valoreCresce con il numero di bit p


RIEPILOGO SUI PRINCIPALI SATELLITI DA TELERILEVAMENTO E SENSORI

Satellite da a sensori altitudineh

(km)

inclin.i

(deg)

periodoT

(min)

Ciclo di rip.

(days)

Landsat 1, 2, 3

1972 (1) 1983 (3) MSS, RBV 920 99 103 18

Landsat 4, 5 1982 (4) ... MSS, TM 705 98 98.9 16

Landsat 7 1999 ... ETM+ 705 98 98.9 16

SPOT 1, 2, 3 1986 (1) 1997 (3) HRV 832 98 101 26

SPOT 4 1998 HRVIR, VGT 832 98 101 26

SPOT 5 2002 HRG ? 822 ? 98 101 26

EROS 2000 480 97.3 90

Ikonos 1999 681 98.1 98 5

QuickBird 2001 450 97.2 93.5 3.5

ENVISAT-1 1999 AATSR

EOS-AM-1 1999 MODIS


Sensori da aereo

Daedalus ATMS TIMS

Bande 0 0.32 – 0.381 0.38 – 0.422 0.42 – 0.453 0.45 – 0.504 0.50 – 0.555 0.55 – 0.606 0.60 – 0.657 0.65 – 0.698 0.70 – 0.799 0.80 – 0.89

10 0.92 – 1.1011 3.0 – 5.012 8.0 –14.0

1 0.42 – 0.452 0.45 – 0.523 0.52 – 0.604 0.605 – 0.6255 0.63 – 0.696 0.695 – 0.757 0.76 – 0.908 0.91 – 1.059 1.55 – 1.75

10 2.08 – 2.3511 8.5 – 13.0

1 8.2 – 8.62 8.6 – 9.03 9.0 – 9.44 9.5 – 10.25 10.2 – 11.26 11.2 – 12.2

FOV (deg.) 86 86 76

IFOV (mrad) 2.5 2.5 2.5

Ris. Rad. (bits) 8 8 8


Regione spettrale

No. dibande

TOTALE

Risoluzione spettrale

(nm)

IFOV(mrad)

pixelper riga

Risoluzione radiometric

a (bit)

GERIS 0.40 – 1.081.0 – 2.02.0 – 2.5

247

32 63

25.412016.5

2.5, 3.3, 4.6 512 or 1024 16

CASI 0.4 – 0.9 288 1.8 1.02 – 1.53 512 12

AVIRIS 0.4 – 0.720.69 – 1.301.25 – 1.871.84 – 2.45

316363

63 224

9.79.68.8

11.6

1 550 12

MIVIS 0.433 – 0.8331.15 – 1.552.00 – 2.50

8.20 – 12.70

208

64

10 102

2050

500

2 765 12

MAIS 0.45 – 1.11.40 – 2.508.2 – 12.2

3232

7 71

2030

400-800

variabile 8

HYDICE 0.4 – 2.5 206 7.6-14.9 0.5 320 12

HYMAP 0.44 – 0.880.881 – 1.335

1.4 – 1.811.95 – 2.94

128

16131216

2.52.0 512 12

MODIS 0.4 – 14.5 36

SENSORI IPERSPETTRALI


I DATI

Un’immagine multispettrale: per ogni banda k viene registrata la medesima scena

no di bandePer ogni banda, l’immagine è costituita da una matrice di pixel, composta da R righe e C colonne

Per ogni pixel, il valore registrato è l’intensità luminosa (radianza), in binario:p bit che assumono valore 0 o 1;con p bit i valori ammissibili sono 2p:0: no data1: nero (minima luminosità registrabile) …255: bianco (massima luminosità registrabile)Radiometric resolution, Dynamic interval (Risoluzione radiometrica o intervallo dinamico ): no di bit per pixel

pixel xij


I FORMATI DEI DATI

BSQ: Band Sequential

BIL: Band Interleavedby Line

BIP: Band Interleavedby Pixel


Lo header

Contiene i metadati dell’immagine, tipicamente:

• ente distributore,• data dell’acquisizione,• risoluzione spaziale,• georeferenziazione approssimata,• informazioni sul formato di memorizzazione,• percentuali di copertura nuvolosa,• ...


PRESENTAZIONE DEI DATI

Il sistema di colori RGB

Ogni banda in Black & White

Black: valore del pixel = 1(0 è codice “no data”)

White: valore massimo (2p)

3 bande in composizione a colori

Red valore del pixel in banda 1

Green valore del pixel in banda 2

Blue valore del pixel in banda 3


3 2 1 4 3 2 7 4 2 7 5 4 5 7 4

LandsatThematic Mapper

7 bande

Banda 1 Banda 2 Banda 3

Banda 4 Banda 5 Banda 7 Banda 6

Composizioni a falsi colori


capitolo 3 satelliti, sensori e formati di dati fondamentali a. dermanis, l. biagi

Documents