implementazione ed ottimizzazione di algoritmi di processamento

Implementazione ed ottimizzazione di algoritmi di processamento radargrammetrico

ed interferometrico per la produzione di DEM da immagini COSMO SkyMed

AGENZIA SPAZIALE ITALIANA

BANDO PERIODICO RISERVATO ALLE P.M.I.

SECONDO BANDO TEMATICO

“OSSERVAZIONE DELLA TERRA”

Roma, 13 Luglio 2011

Nicola Stella | [email protected]

SINTESI PROGETTO

Mission →

Progetto C.R.E.S.P. → Cosmo Radar Expert System of Processing

Durata del progetto → R&S 24 Mesi

AZIENDE

Geotec Srl → Prime

Applica Mobile Srl → Start-Up

Infosystem → PMI Aggregata

Dipartimento Interateneo di Fisica Bari → Consulente Esterno

A.S.I. - Roma, 13 Luglio 2011 | Secondo Bando Tematico “Osservazione della Terra” | Progetto CRESP

Ottimizzazione ed implementazione ottimale degli algoritmi di processamento

radargrammetrico (StereoSAR) ed interferometrico (InSAR e PSInSAR) in una unica

suite che sia in grado guidare l’utente finale, dalla pianificazione dell’acquisizione

fino alla produzione del DEM finale, datasets acquisite tramite la costellazione

COSMO SkyMed.

La Applica è una start-up i cui soci lavoratori hanno esperienze in ambito di

sviluppo applicazioni tridimensionali oltre ad un lungo curriculum in ambito di

progetti di ricerca industriale per quel che concerne sia il management che

l’implementazione stessa.

Core business aziendale è lo sviluppo e commercializzazione di software nonché

la ricerca industriale e la consulenza informatica alle aziende.

AZIENDE COINVOLTE

La Infosystem s.r.l. è una società che opera nel settore dell’informatica e della

telematica sin dal 1991 che ad oggi vanta la realizzazione di importanti sistemi

informativi nei settori Sanità, Enti pubblici e privati, Industria e P.M.I., nonché una

lunga esperienza nella fornitura di prodotti e servizi nel comparto I.C.T.

La Infosystem ha svolto negli anni numerosi progetti di ricerca e sviluppo in

particolare nell’ultimo triennio.


PMI presente dal 1994 nel mercato della fotogrammetria, cartografia, GIS/WebGIS e

Remote Sensing in cui vanta competenze in:

• Elaborazione di dati ottici, multispettrali ed iperspettrali

• Elaborazione dati LIDAR.

• Elaborazione dati SAR e sviluppo algoritmi IMage Processing

• Sviluppo di un processore InSAR e DInSAR

• Ricerca e Sviluppo sulle tecniche algoritmiche RADARGRAMMETRICHE

(StereoSAR) e validazione sperimentale delle stesse, in collaborazione con

L’ASI

Attivo da più di un decennio nel settore del telerilevamento satellitare. Tra le più

importanti attività di studio ed approfondimento, si menziona l’elaborazione del dato

SAR con tecniche InSAR, DInSAR e PSInSAR finalizzate all’estrazione

dell’informazione sia di quota topografica che di movimento del terreno. Con

riferimento a questa tematica, il gruppo ha lavorato in numerosi progetti finanziati da

enti ed agenzie nazionali ed internazionali (ASI, ESA, NASA, ENEA, European

Commission). Le attività di ricerca del gruppo hanno portato allo sviluppo di una

catena di processing interferometrico denominata SPINUA-POLIBA

INTRODUZIONE: Digital Elevation Model (DEM)

DEM prodotto fondamentale per Sistemi GIS/WebGIS, Monitoraggio Ambientale, Risk

Management, Cartografia, Ortofoto, Navigazione, Simulatori, Videogames, applicazioni Militari.

Aereofotogrammetria →

Fotogrammetria

Immagini Satellitari

Acquisizioni LIDAR →

SAR

satellite

Alta precisione, vantaggiosa per

produrre DEM/DTM nell’ambito

Nazionale in quanto subordinata alle

problematiche logistiche ed

economiche derivanti dall’utilizzo di un

aereo (tempi, autorizzazioni, condizioni

meteo, ecc..). Un DTM da dati LIDAR

può risultare molto costoso.

Buona alternativa alle precedenti ma fortemente influenzata dalle

condizioni meteo del periodo di acquisizione (es. presenza di nuvole) →

→

→

InSAR

StereoSAR

Un buon compromesso è rappresentato dai DEM generati da elaborazione di dati SAR

Tecnica molto precisa ma affetta dal limite

legato alla applicabilità della tecnica solo in

aree ad elevata coerenza interferometrica

o con presenza di Persistent Scatterers.

Tecnica meno precisa rispetto all’ InSAR

ma più robusta e dai costi computazionali

minori. Essa si basa su tecniche

fotogrammetriche applicate alle immagini

SAR in ampiezza.

Tempi di Rivisita alti,

elusione dei problemi di

copertura nuvolosa,

acquisizioni su scala

mondiale in tempi brevi,

DEM alta precisione


L’IDEA...


Radargrammetria


h

X

1 X

2

θ2

θ

1 p = risoluzione spaziale

Radargrammetria


InSAR


La tecnica InSAR sfrutta la differenza di fase tra due acquisizioni per ricavare le mappe di deformazione del terreno: consente di ottenere un quadro completo e dettagliato sul comportamento del terreno nell’area di interesse.

InSAR


Subsi

denza

tv

r

hB

sin

4

0

Inteferogramma Topografia Movimento SPINUA (Dip. Fisica Bari – GAP)

PS = Ground Control Points per correzione di artefatti nei DEM

Radargrammetrici ed Interferometrici

PSInSAR


La tecnica dei Persistent Scatterers restituisce, oltre all’informazione di

spostamento, anche l’informazione di quota di ogni singolo Persistent Scatterers

SPINUA: algoritmo sviluppato dal DIF di Bari,

Gruppo Telerilevamento, in grado di generare mappe

di Persistent Scatterers a partire da acquisizioni SAR

in Banda L, C ed X, sperimentato nell’ambito del

progetto Morfeo per ricavare, a partire da acquisizioni

COSMO SkyMed, le mappe di spostamento di alcune

aree con presenza di fenomeni franosi

CRESP


CRESP

Adattamento, ottimizzato ad acquisizioni SAR COSMO SkyMed, degli algoritmi

di processamento radargrammetrico e interferometrico (InSAR e PSInSAR), in

una suite che sia in grado di guidare l’utente dalla pianificazione dell’acquisizione

fino alla produzione del DEM finale

Il DEM finale è frutto dell’applicazione di una delle due

tecniche o della combinazione delle due (InSAR, StereoSAR) a

seconda degli scenari o delle esigenze dell’utente.

L’elaborazione radargrammetrica ed interferometrica viene

effettuata su data-set SAR che devono essere selezionati dalla

suite in accordo con le specifiche definite dall’utente guidato

da un Sistema esperto di Supporto

Le tecniche InSAR e StereoSAR possono essere

supportate dalla tecnica PSInSAR

Gestione dello storico processamenti, datasets,

metadati, DEM, Acquisizioni

Particolare attenzione sarà rivolta alle tecniche radargrammetriche,

per le quali Geotec Srl vanta un’attività di ricerca e sviluppo biennale che

ha prodotto ottimi risultati (DEM fino a 3 m)

(info → www.geotecweb.com)


CRESP | DESCRIZIONE

Stereo

SAR

InSAR

PSInSAR

Expert

Sistem

Output

DB

DEM

Other

Product

Input

DB

Acquisisce dall’utente le specifiche del DEM da

generare e fornisce al modulo “Sistema esperto di

supporto” tutte le informazioni di supporto per la

selezione del data-set e delle tecniche da applicare

Guidare l’utente verso la migliore

soluzione adottabile in base alle

sue richieste. Sarà strettamente

interagente con l’archivio di input.

Partendo dalle richieste effettuate,

esso valuterà la migliore tecnica

da adottare con riferimento alle

caratteristiche della scena in

esame. Sulla base delle tecniche

selezionate, il sistema esperto

individuerà, interagendo con

l’archivio di input, i data-set di

acquisizioni SAR da elaborare o in

alternativa produrrà un report con

l’elenco delle specifiche delle

acquisizioni SAR da utilizzare

I tre processori della suite (InSAR,

PSInSAR e StereoSAR) sono in

grado di fornire indipendentemente

dei DEM, ognuno con le limitazioni

tipiche della tecnica utilizzata.

L’utilizzo combinato delle tre

tecniche consente di mitigare le

limitazioni della singola tecnica. In

particolare, è possibile individuare i

seguenti scenari con i relativi

processi incrociati

Il DEM viene infine validato e

collaudato tramite l’ausilio di un

modulo apposito (BLOCCO 15)

in cui sono previste analisi di

comparazione di profili

altimetrici con DEM di

riferimento (ad Es. DEM

SRTM, DEM fotogrammetrici),

analisi delle quote con Punti di

appoggio fotografico, Ground

Control Point, Dati GPS; analisi

statistiche mirate, mappa delle

deviazioni Standard e RMS

L’archivio di output avrà la funzione

di gestire tutti i dati e metadati che

rientrano nell’intero processo di

elaborazione scelto, garantendo

una coazione con l’archivio di input


PROGETTO | ATTIVITA’

Stato dell’arte, studio scenari, requisiti

Studio di geometrie di acquisizione

ottimali, ottimizzazione di differenti

livelli di acquisizione per la

radargrammetria

Ottimizzazione algoritmica

Radargrammetrica

Progettazione Processori

Studio integrazione delle tecniche

Ricerca e

Sperimentazione

Sviluppo

Prototipo

Management

Dissemination

Definizione del Sistema Esperto

Definizione architettura di sistema

Sviluppo della suite

Sperimentazione, test e

validazione del prototipo

Project Management

Definizione di un Modello di

business e del piano di

disseminazione e dei risultati

di progetto

Milestone 1

Conclusione

delle attività di

ricerca

Milestone 2

Conclusione

delle attività di

sviluppo

Milestone 3

Conclusione delle

attività di

sperimentazione,

test e validazione

del prototipo


PROGETTO | CRONOGRAMMA E WP


PROGETTO | TEAM E ATTIVITA’

Ricerca e

Sperimentazione

Sviluppo Prototipo

Ricerca e Sviluppo

StereoSAR, InSAR,

PSInSAR

Consulenza Esterna

PSInSAR

Management &

Dissemination

Prime Contractor


CRESP | Sperimentazione: Eventuali Test Site


Come eventuali Test Sites sono stati scelti due siti lucani soggetti a forti rischi ambientali, per

i quali l’utilizzo di un DEM rappresenta la base per il monitoraggio e la gestione del rischio.

Subsidenze

Frane

Gestione reticolo idrografico

Arretramento Costa

CRESP | Eventuali Test Site – Acquisizioni a Catalogo


PROGETTO CRESP | BENEFICI

COMPETITIVITA’

Alto grado di Innovazione

Produzione di DEM ad alta precisione grazie all’utilizzo incrociato delle diverse tecniche

Minimizza i tempi di decisione da parte dell’utente

Velocizza i tempi di produzione

Predisposizione ai sistemi GIS/WebGIS

INDICAZIONI 2° GENERAZIONE →

MISSIONI PARTNER → Sarà in grado di interfacciarsi con dati provenienti da missioni partner


Le fasi di ricerca e validazione forniranno utili indicazioni per

la missione COSMO SkyMed di seconda generazione

implementazione ed ottimizzazione di algoritmi di processamento

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