principi di aerofotogrammetria - Dipartimento di Scienze Agrarie

MINISTERO DELL’ISTRUZIONE, DELL’UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI
SERVIZIO PER LO SVILUPPO E IL POTENZIAMENTO DELLE ATTIVITÀ DI RICERCA (SSPAR)
PNR 2001-2003 (FIRB art.8) D.M. 199 Ric. Del 8 marzo 2001
Collana
“DIFFUSIONE E SPERIMENTAZIONE DELLA CARTOGRAFIA,
DEL TELERILEVAMENTO E DEI SISTEMI INFORMATIVI GEOGRAFICI,
COME TECNOLOGIE DIDATTICHE APPLICATE ALLO STUDIO
DEL TERRITORIO E DELL’AMBIENTE”
ERALDO AMADESI, GIOVANNI BANCHINI, PETRONIO MALAGOLI, GILMO VIANELLO
MINISTERO DELL’ISTRUZIONE, DELL’UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI
SERVIZIO PER LO SVILUPPO E IL POTENZIAMENTO DELLE ATTIVITÀ DI RICERCA (SSPAR)
PNR 2001-2003 (FIRB art.8) D.M. 199 Ric. Del 8 marzo 2001
Collana
“DIFFUSIONE E SPERIMENTAZIONE DELLA CARTOGRAFIA,
DEL TELERILEVAMENTO E DEI SISTEMI INFORMATIVI GEOGRAFICI,
COME TECNOLOGIE DIDATTICHE APPLICATE ALLO STUDIO
DEL TERRITORIO E DELL’AMBIENTE”
ERALDO AMADESI, GIOVANNI BANCHINI, PETRONIO MALAGOLI, GILMO VIANELLO
Copyright © 2005
MINISTERO DELL’ISTRUZIONE, DELL’UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
Dipartimento per la Programmazione il Coordinamento e gli Affari Economici
Servizio per lo Sviluppo e il Potenziamento delle Attività di Ricerca (SSPAR)
PNR 2001-2003 (FIRB art.8) D.M. 199 Ric. Del 8 marzo 2001
Collana:
“DIFFUSIONE E SPERIMENTAZIONE DELLA CARTOGRAFIA,
DEL TELERILEVAMENTO E DEI SISTEMI INFORMATIVI GEOGRAFICI,
COME TECNOLOGIE DIDATTICHE APPLICATE ALLO STUDIO
DEL TERRITORIO E DELL’AMBIENTE”
Volume 2. AEROFOTOGRAMMETRIA
Autori: ERALDO AMADESI, GIOVANNI BANCHINI, PETRONIO MALAGOLI, GILMO VIANELLO
INDICE
2.1 PRINCIPI DI AEROFOTOGRAMMETRIA................................................................................PAG
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
Telerilevamento da aereo ........................................................................................................»
Lo spettro elettromagnetico ..................................................................................................»
La ripresa aerofotogrammetrica..........................................................................................»
Le pellicole per le riprese aerofotogrammetriche .........................................................»
Il fotogramma ..............................................................................................................................»
Il fotoindice ...................................................................................................................................»
2.2 TECNICHE E METODI DI AEROFOTOINTERPRETAZIONE .......................................... »
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
Informazioni preliminari sulle riprese aerofotografiche ............................................. »
L’occhio umano e la visione stereoscopica. ....................................................................»
Lo stereoscopio ...........................................................................................................................»
Parametri della fotointerpretazione ..................................................................................»
2.3 PRODOTTI AEROFOTOGRAFICI ....................................................................................................»
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
Stampe a contatto .....................................................................................................................»
Ingrandimenti ...............................................................................................................................»
Raddrizzamenti ...........................................................................................................................»
Ortoproiezioni ( raddrizzamenti differenziali ) ................................................................»
Restituzioni ....................................................................................................................................»
2.4 APPLICAZIONE DELLA FOTOINTERPRETAZIONE:
ESERCITAZIONI ED ESPERIENZE ...............................................................................................»
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
Effetto stereoscopico ................................................................................................................»
Realizzazione ed aggiornamento della cartografia di base ........................................ »
Realizzazione di una carta della utilizzazione reale del suolo ..................................... »
La lettura delle modificazioni del territorio mediante la fotografia aerea............ »
Realizzazione di una carta geomorfologica .......................................................................»
Realizzazione di una carta delle unità di paesaggio territoriale ............................... »
4
4
5
6
7
9
9
10
10
11
13
15
24
24
24
25
26
27
29
29
29
30
31
34
36
Aerofotogrammetria
2.1 PRINCIPI DI
AEROFOTOGRAMMETRIA
L’aerofotogrammetria rientra tra le tecniche di rilievo che vanno sotto il nome di telerilevamento da
aereo e cioè di quelle metodologie di indagine che
permettono di determinare, a distanza, il comportamento delle superfici indagate, impiegando come vettore di informazioni la radiazione elettromagnetica.
Nato per scopi militari, il telerilevamento trova oggi
importanti applicazioni nelle scienze della terra,
nelle discipline agronomiche e forestali, nelle indagini ambientali, negli studi storico-archeologici ed
urbanistici ed altro ancora.
Per realizzare un rilievo fotogrammetrico di un determinato territorio è necessario che un vettore
idoneo opportunamente equipaggiato, si alzi in volo
per sorvolare la zona in oggetto; durante il volo,
mediante una camera fotografica posta nella parte inferiore della carlinga, viene ripresa la superficie sorvolata, fissandola nei fotogrammi scattati in
successione ad intervalli prestabiliti.
Una volta a terra la pellicola viene sviluppata e
stampata ed il risultato è costituito da una serie
di fotografie che possono essere definite come la
rappresentazione di una realtà ottenuta dalla interazione dell’energia raggiante con l’emulsione fotosensibile della pellicola.
che permettono di raccogliere ed interpretare informazioni su oggetti posti a distanza sulla superficie terrestre usando come vettore di informazioni
l’energia elettromagnetica.
La distanza di osservazione può variare da qualche
metro fino a migliaia di chilometri. I rilievi vengono
eseguiti infatti da terra (proximal sensing), ad altezze di metri, da aereo, ad altezze generalmente comprese tra 1,5 a 12-15 chilometri e da satellite, ad
altezze di 700-900 Km fino a circa 36.000 Km.
Gli strumenti montati su aerei rilevano in modo
uniforme vaste aree di territorio. Vengono studiati
a distanza fenomeni relativi alla crosta terrestre
(geologia), alle acque superficiali e profonde (idrografia e oceanografia), ai corpi nuvolosi (meteorologia), alla copertura e allo stato della vegetazione
e allo studio dei centri abitati (urbanistica).
Schematizzando (fig. 2.1.2), i sistemi di telerilevamento da aereo possono essere distinti in attivi
e passivi e si compongono di quattro elementi; la
sorgente di energia (A), la superfice osservata (B),
il vettore con le apparecchiature di ripresa (C), un
sistema di elaborazione posto generalmente a terra (D).
Nei sistemi di telerilevamento passivi, la sorgente
di energia (A) è rappresentata dal sole che irradia
la superfice terrestre con una gamma continua di
radiazioni elettromagnetiche che vanno dai raggi
cosmici alle radio onde. Viceversa, nei sistemi at-
Figura 2.1.2 Schematizzazione degli elementi costituenti un sistema di
telerilevamento aereo
Figura 2.1.1 Rappresentazione schematica di una ripresa
aerofotogrammetrica
tivi, la fonte di radiazioni non è più rappresentata
dal sole ma da altra sorgente come ad esempio il
2.1.1 Telerilevamento da aereo
lampo di un flash o dal trasmettitore di impulsi di
un radar.
In generale il telerilevamento (o remote sensing) La superfice osservata (B) è rappresentata geneè definito come l’insieme di tecniche e strumenti ralmente dalla superfice terrestre che, investita
4
Capitolo 2 .1
dalla radiazione elettromagnetica, riflette od emette nuova energia in maniera diversificata a seconda della natura delle superfici stesse.
Il vettore (C) è costituito da un aereomobile che
può sorvolare la zona di indagine a quote variabili non superiori ai 15 chilometri. Su questi velivoli
possono essere alloggiati gli strumenti di ripresa
veri e propri; questi sono rappresentati da camere
fotogrammetriche, sensori, apparecchiature scanner o radar, a seconda dei casi.
Il sistema di elaborazione (D) è localizzato a terra e
sostanzialmente comprende tutte le apparecchiature che consentono lo sviluppo, la stampa, la catalogazione delle fotografie o la elaborazione dei segnali
raccolti dai sensori nel caso di immagini digitali.
zioni e ed oggetti è possibile comprendere la natura e lo stato della superficie terrestre. L’insieme
continuo delle radiazioni, ordinato secondo la lunghezza d’onda o la frequenza costituisce lo spettro
elettromagnetico (Fig. 2.1.3).
L’occhio umano è sensibile solamente ad una piccola parte dello spettro, la cosidetta finestra del
visibile che si estende da circa 0.4 a 0.7 micron e
corrisponde all’arcobaleno. Il visibile contiene tutti i
colori che possiamo percepire.
La luce del sole ci appare di colore bianco ma in realtà è composta da tutti i colori, ciascuno con frequenza caratteristica; per vedere questi colori si può usare un prisma di vetro che suddivide un raggio di luce
nelle sue componenti cromatiche (Fig. 2.1.4).
2.1.2 Lo spettro elettromagnetico
Alla base del telerilevamento da aereo ci sono le
radiazioni elettromagnetiche; il sole è la sorgente
principale. Dai meccanismi di interazione tra radia-
Figura 2.1.4 La rifrazione della luce
Figura 2.1.3 Lo spettro elettromagnetico
Quando la luce bianca colpisce un oggetto alcune
frequenze vengono riflesse ed altre vengono assorbite; le frequenze riflesse determinano il colore
degli oggetti. Se ad esempio predomina la frequenza del rosso, l’oggetto ci appare rosso, se invece
predominano le frequenze associate al verde ed
al rosso, l’oggetto ci appare del colore dato dalla
combinazione di verde e rosso, il giallo.
5
Aerofotogrammetria
Acqua, suolo e vegetazione hanno un comportamento spettrale caratteristico a diverse lunghezze
d’onda. La vegetazione, ad esempio, riflette nel verde e molto nell’infrarosso, mentre assorbe nel blu
e nel rosso.
reno interessato da un evento franoso o di un territorio inondato dalla tracimazione di un fiume, deve
essere effettuata al verificarsi dell’evento.
Modalità della ripresa. Attraverso una botola praticata nella parte inferiore della carlinga di un aereo, viene rivolto perpendicolarmente alla superficie terrestre l’obiettivo di una macchina fotografica
di grandi dimensioni (camera fotogrammetrica).
2.1.3 La ripresa aerofotogrammetrica
Mano a mano che l’aereo procede lungo una rotta
Per valutare la qualità di una ripresa aerofoto- rettilinea (linea di volo) ad una determinata quota
grammetrica si deve tenere conto della tipologia e a velocità costante, viene realizzata una “strisciadell’aeromobile, dell’epoca e delle modalità della ta” di scatti fotografici secondo una sequenza preripresa, delle caratteristiche della camera foto- fissata (fig. 2.1.5).
grammetrica.
Caratteristiche degli aeromobili. I principali requisiti che debbono presentare gli aerei impiegati per
le riprese fotogrammetriche sono sostanzialmente i seguenti:
- disporre dello spazio e di una o due aperture sul
pavimento della carlinga per poter alloggiare una
o due camere fotogrammetriche con l’obiettivo
rivolto verso il basso (foto zenitali);
- possedere una buona stabilità di assetto ed una
velocità di crociera costante, non troppo elevata, per evitare l’effetto di trascinamento ossia la
mancanza di nitidezza dell’immagine causata dallo spostamento della camera durante l’intervallo
di apertura dell’otturatore;
- avere un equipaggio specializzato composto in
genere da tre persone: il pilota, il navigatore, l’addetto alla ripresa.
Epoca di ripresa. Il momento ottimale per la realiz- Figura 2.1.5 Ripresa aerofotogrammetrica
zazione di una ripresa si verifica allorquando il cielo
si presenta privo di nubi o di foschia, con assenza Questa sequenza è tale per cui vi è un ricoprimento
di ventosità e nelle ore a cavallo di mezzogiorno, longitudinale del 60% (endlap) tra due fotogrammi
condizioni queste tipiche del periodo estivo. In tale successivi della medesima strisciata. Terminata la
contesto infatti la visione della superficie terrestre ripresa, l’aereo inverte la rotta di 180° ed esegue
risulta completa senza l’interposizione di nubi che una nuova ripresa a fianco di quella appena esepotrebbero mascherarne delle porzioni, l’assenza guita cercando di ottenere un ricoprimento latedi vento rende più agevole il volo del velivolo senza rale tra i fotogrammi di almeno il 20% (sidelap); in
sbandamenti di rotta mentre il sole alto all’orizzon- questa maniera viene garantita la copertura totale
te ottimizza l’illuminazione della scena e riduce al stereoscopica di tutta l’area di rilievo (fig. 2.1.6).
minimo le ombre degli oggetti. È evidente comun- Ovviamente l’aereo, durante le riprese, non doque che le riprese possono essere effettuate an- vrebbe subire eccessivi sbandamenti od inclinache in periodi diversi da quelli citati a seconda di zioni, per non causare distorsioni e deformazioni
vincoli inalienabili. Per esempio la ripresa in un ter- dell’immagine fotografica.
6
Capitolo 2 .1
2.1.4 Le pellicole per le riprese
aerofotogrammetriche
Le pellicole che si usano per le riprese aeree sono
di quattro tipi: pancromatiche (sensibili a tutti i colori
visibili) in bianco e nero o a colori; all’infrarosso (sensibili alle emissioni di lunghezza d’onda superiori a
quelle del rosso), in bianco e nero o a colori (falso colore). La scelta tra i diversi tipi di supporto è dettata
sia da ragioni di tipo tecnico che di tipo economico
Figura 2.1.6 Ricoprimento laterale tra strisciate contigue
La camera fotogrammetrica. È una macchina fotografica molto complessa, di notevoli dimensioni (in
media di 60x60x50 cm) e peso (da 70 a 100 kg).
La macchina è dotata di un grande contenitore che
può alloggiare pellicole lunghe fino a 120 metri, ed
ha un sistema ottico con una lunghezza focale, in
genere, di 150 mm; inoltre ha dei sistemi elettronici che comandano il tempo di scatto, l’apertura del
diaframma e l’avanzamento della pellicola fotografica (fig. 2.1.7). Nei bordi che delimitano il campo
cartografico sono ricavate delle tacche dette marche fiduciali che serviranno in fase di fotorestituzione per individuare il centro del fotogramma.
Figura 2.1.7 Schematizzazione di una camera fotogrammetrica
Figura 2.1.8
Spettro sensibile di vari tipi di pellicole e dispositivi ottico-elettronici
Le pellicole pancromatiche in bianco e nero sono
costituite da un unico strato di emulsione sensibile
a tutte le lunghezze d’onda del visibile e riproducono in toni di grigio ciò che è variamente colorato in
natura. Sono più economiche delle pellicole a colori
e si adattano a diverse tipologie di studi territoriali. La scarsa sensibilità di queste pellicole alla lunghezza d’onda del verde (0.5 - 0.55 micron) rende
difficoltosa la discriminazione tra le diverse essenze vegetali e quindi ne sconsiglia l’uso per studi a
carattere vegetazionale.
Le pellicole all’infrarosso in bianco e nero sono
costituite da un unico strato di emulsione sensibile
alla radiazione visibile (che viene filtrata) ed infrarossa vicina. I diversi toni di grigio che appaiono su
queste pellicole dipendono dalla emissione infrarossa delle diverse superfici indagate più che dalla
colorazione delle stesse.
Queste pellicole mettono in evidenza aspetti nascosti che ad occhio nudo non sarebbero apprezzabili;
vengono impiegate con successo negli studi di carattere vegetazionale inquanto possono mettere in
evidenza delle fitopatologie ancora prima che tali
7
Aerofotogrammetria
manifestazioni siano visibili ad un esame esteriore. Una pianta ammalata infatti modifica il proprio
spettro di emissione nel campo della radiazione infrarossa vicina e di conseguenza anche il tono di
grigio sulla fotografia.
Le pellicole pancromatiche a colori sono costituite da tre strati di emulsione sensibili rispettivamente alle lunghezze d’onda del blu, del verde-giallo e
dell’arancio-rosso. Riproducono fedelmente con i
medesimi colori gli oggetti rilevati; risultano di agevole lettura e si adattano a tutti i tipi di indagine;
sono più costose delle pellicole in bianco e nero.
Le pellicole all’infrarosso a colori sono costituite
da tre strati di emulsione sensibili rispettivamente al verde, rosso ed infrarosso vicino. In fase di
sviluppo i colori vengono restituiti in maniera modificata così che la realtà indagata assume sulla
foto colori non consueti; per tale motivo queste pel-
Figura 2.1.9
Ripresa aerea della stessa area mediante quattro diversi tipi di pellicola.
a) pancromatica in bianco e nero
b) all’infrarosso bianco e nero
c) pancromatica a colori
d) all’infrarosso a colori
In ascissa vengono riportati i valori di lunghezza d’onda dello spettro del
visibile (da o,4 a 0,7 micron) e dell’infrarosso vicino (da 0,7 a 0,9 micron).
In ordinata viene riportata la sensibilità della pellicola: più la curva di uno
strato si allontanerà dall’asse delle ascisse tanto maggiore risulterà la
sensibilità
8
licole vengono anche definite “falso colore”. Anche
queste pellicole vengono impiegate con successo
negli studi di carattere vegetazionale sfruttando la
diversa risposta fornita dalla vegetazione nel campo della radiazione infrarossa vicina.
Figura 2.1.10
Curve sensimotriche di differenti pellicole:
a) pancromatica in bianco e nero
b) all’infrarosso bianco e nero
c) pancromatica a colori
d) all’infrarosso a colori o a falsi colori.
Capitolo 2 .1
2.1.5 Il fotogramma
2.1.6 Il fotoindice
L’immagine fotografica aerea o fotogramma ha
un formato di 23x23 cm e cioè circa 60 volte più
grande di quella del negativo che si ottiene con una
comune macchina fotografica (24x36 mm).
Ogni fotogramma presenta un margine sul quale
sono riportate diverse informazioni; tale sezione
prende il nome di data strip e contiene:
- una livella sferica, per verificare la corretta posizione orizzontale dell’aereo al momento dello
scatto della foto. Nello stesso riquadro vengono
generalmente riportati anche il numero della camera impiegata e la distanza focale dell’obiettivo;
- la data del volo;
- un orologio, per il controllo dell’ora di volo;
- un altimetro, per il controllo della quota di volo
(a volte la quota viene riportata in piedi);
- la indicazione del lavoro;
- numero della strisciata alla quale appartiene il
fotogramma;
- numero del fotogramma
Al fine di rendere più agevole l’individuazione dei
fotogrammi relativi ad un certo ambito di interesse, viene stilato un documento cartografico riassuntivo di riferimento denominato fotoindice; altro
non è che un supporto di materiale indeformabile
trasparente che viene sovrapposto ad una base
topografica (in genere alle scale 1:100.000 e
1:25.000) e sulla quale sono disegnati i limiti delle
aree interessate da ciascun fotogramma. Questi
ultimi sono identificatati attraverso il numero della
strisciata alla quale appartengono e da un numero
progressivo specifico (fig. 2.1.10).
Partendo dal presupposto che la copertura aerea
presenti overlap pari al 60% e sidelap pari al 20%,
sarà possibile calocolare con buona approssimazione il numero di fotogrammi necessari per coprire una data area conoscendo la superficie della
zona da coprire (A) e la superficie coperta da ogni
fotogramma (F) nella scala richiesta, secondo la
formula: N (numero fotogrammi) = 4 x A/F
Figura 2.1.11 Esempio di datastrip riportato a margine di un fotogramma
Oltre al data strip, all’interno del fotogramma, compaiono delle tacche di forma particolare che prendono il nome di marche fiduciali che servono per
determinare il punto centrale del fotogramma, necessario per impostare correttamente il modello
stereoscopico in fase di fotointerpretazione. In altri
casi, al posto delle marche fiduciali, sono riportati
dei traguardi ai vertici del fotogramma che hanno
il medesimo scopo.
Figura 2.1.12 Esempio di fotoindice di una copertura aerea della Regione
Emilia-Romagna realizzato su supporto cartografico alla scala 1:100.000
su cui vengono riportati i limiti amministrativi comunali. I numeri presenti
all’interno di ciascun cerchietto stanno ad indicare le strisciate del piano
di volo; ogni strisciata viene suddivisa in ambiti in progressione numerica
corrispondenti ai fotogrammi
9