Fondamentali
Capitolo 3
Satelliti, Sensori
E Formati di Dati
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.
A. Dermanis, L. Biagi
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.
A. Dermanis, L. Biagi
I parametri d’orbita
a ed e: semiasse maggiore ed eccentricità dell’orbita.
i: inclinazione dell’orbita, ovvero angolo fra piano orbitale e piano
equatoriale di riferimento.
W: ascensione retta del nodo ascendente, ovvero angolo sul piano
equatoriale di riferimento fra direzione dell’equinozio di riferimento e
piano orbitale.
w: 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.
A. Dermanis, L. Biagi
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.
A. Dermanis, L. Biagi
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.
A. Dermanis, L. Biagi
Le tracce al suolo:
l’esempio di SPOT4
A. Dermanis, L. Biagi
Classificazione delle immagini
Spettrale
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
Spaziale
Risoluzione (m)
Definizione
0.5 – 1 Altissima
Scala di applicazione
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
> 250 Bassissima
1:100000 - 1:500000
< 1:500000
A. Dermanis, L. Biagi
SATELLITI & SENSORI
LANDSAT 7
ETM+
Enhanced Thematic Mapper
7 bande
SPOT 4
2 HRVIR
High Resolution Visible Infrared
4 bande
A. Dermanis, L. Biagi
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.
A. Dermanis, L. Biagi
I satelliti: la serie Landsat
Landsat 1: dal 1972 al 1978, MSS, RBV
Landsat 2: dal 1975 al 1982, MSS, RBV
Landsat 3: dal 1978 al 1983, 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+
A. Dermanis, L. Biagi
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
A. Dermanis, L. Biagi
Landsat 4 e 5
TM
(Thematic Mapper) Landsat 4 e 5
Risoluzione spettrale:
Ba
nda
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
7
2.08  2.35
infrarosso medio
6
10.40  12.50
infrarosso termico
Risoluzione spaziale: 3030 m, Banda 6: 120120 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)
A. Dermanis, L. Biagi
Landsat 7
ETM+
(Enhanced Thematic Mapper) Landsat 7
Risoluzione spettrale:
Ba
nda
lunghezza d’onda (m)
Pa
n
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
5
1.55  1.75
infrarosso medio
7
2.09  2.35
infrarosso medio
6
10.40  12.50
infrarosso termico
Risoluzione spaziale: 3030 m, Banda 6: 6060 m, Pan: 1515 m
Swath:
185 km
Risoluzione radiometrica: 256 valori (8 bit)
Risoluzione temporale:
16 giorni
A. Dermanis, L. Biagi
SPOT4
HRVIR (High Resolution Visible Infrared), SPOT 4
Risoluzione spettrale:
Banda
lunghezza d’onda (m)
Pan
pancromatico
0.61  0.68
1
verde
0.50  0.59
2
rosso
0.61  0.68
3
infrarosso vicino
0.79  0.89
4
infrarosso medio
1.58  1.75
Risoluzione spaziale: 2020 m, Banda 2 anche 1010 m, Pan 1010 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)
A. Dermanis, L. Biagi
SPOT5
HRG (High Resolution Geometry), SPOT 5
Risoluzione spettrale:
Banda
lunghezza d’onda (m)
Pan
pancromatico
0.48  0.71
1
verde
0.50  0.59
2
rosso
0.61  0.68
3
infrarosso vicino
0.79  0.89
4
infrarosso medio
1.58  1.75
Risoluzione spaziale: 10 10 m, Banda 4 2020 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 risoluzione
ottenuti mediante metodi di analisi di immagini digitali (qui non trattati)
A. Dermanis, L. Biagi
Landsat 4, TM
Banda 1
Banda 4
Banda 6
(blu)
(infr. vicino)
(inf. termico)
A. Dermanis, L. Biagi
La nuova generazione:
Ikonos, QuickBird, EROS
• Ikonos (Immagine) II: in orbita dal 1999
Banda
l (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 m
Swath: 11 Km
Risoluzione radiometrica: 11 bit (2048 valori)
Risoluzione temporale: 11 giorni al nadir
Possibilità di orientamento fuori nadir sino a 26°
A. Dermanis, L. Biagi
Ikonos II, composizione RGB delle bande rossa, verde e blu
Giappone, Enoki tunnel, ottobre 2004: prima e dopo un evento franoso
A. Dermanis, L. Biagi
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)
A. Dermanis, L. Biagi
RISOLUZIONE dei DATI
Risoluzione spaziale: no. di pixel per superficie al suolo
Aumenta diminuendo la dimensione dei pixel
Risoluzione spettrale: no di bande per lunghezza d’onda
In generale: aumenta con il numero di bande
Localmente: aumenta quando
la differenza di lunghezza d’onda fra bande diminuisce
Risoluzione temporale:
no di passaggi nel tempo
Cresce 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 valore
Cresce con il numero di bit p
A. Dermanis, L. Biagi
RIEPILOGO SUI PRINCIPALI SATELLITI DA TELERILEVAMENTO E SENSORI
Satellite
da
a
sensori
altitudine
h
(km)
inclin.
i
(deg)
periodo
T
(min)
Ciclo di
rip.
(days)
MSS, RBV
920
99
103
18
Landsat 1, 2,
3
1972 (1)
1983 (3)
Landsat 4, 5
1982 (4)
...
MSS, TM
705
98
98.9
16
1999
...
ETM+
705
98
98.9
16
1986 (1)
1997 (3)
HRV
832
98
101
26
832
98
101
26
? 822 ?
98
101
26
Landsat 7
SPOT 1, 2, 3
SPOT 4
1998
HRVIR, VGT
SPOT 5
2002
HRG
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
A. Dermanis, L. Biagi
Sensori da aereo
Daedalus
Bande
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0.32 – 0.38
0.38 – 0.42
0.42 – 0.45
0.45 – 0.50
0.50 – 0.55
0.55 – 0.60
0.60 – 0.65
0.65 – 0.69
0.70 – 0.79
0.80 – 0.89
0.92 – 1.10
3.0 – 5.0
8.0 –14.0
ATMS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0.42 – 0.45
0.45 – 0.52
0.52 – 0.60
0.605 – 0.625
0.63 – 0.69
0.695 – 0.75
0.76 – 0.90
0.91 – 1.05
1.55 – 1.75
2.08 – 2.35
8.5 – 13.0
TIMS
1
2
3
4
5
6
8.2 – 8.6
8.6 – 9.0
9.0 – 9.4
9.5 – 10.2
10.2 – 11.2
11.2 – 12.2
FOV (deg.)
86
86
76
IFOV (mrad)
2.5
2.5
2.5
8
8
8
Ris. Rad. (bits)
A. Dermanis, L. Biagi
SENSORI IPERSPETTRALI
Regione
spettrale
GERIS
CASI
No. di
bande
TOTALE
Risoluzione
spettrale
(nm)
IFOV
(mrad)
pixel
per riga
Risoluzione
radiometrica
(bit)
25.4
120
16.5
2.5, 3.3, 4.6
512 or 1024
16
0.40 – 1.08
1.0 – 2.0
2.0 – 2.5
24
7
32
0.4 – 0.9
288
1.8
1.02 – 1.53
512
12
63
AVIRIS
0.4 – 0.72
0.69 – 1.30
1.25 – 1.87
1.84 – 2.45
31
63
63
63 224
9.7
9.6
8.8
11.6
1
550
12
MIVIS
0.433 – 0.833
1.15 – 1.55
2.00 – 2.50
8.20 – 12.70
20
8
64
10 102
20
50
500
2
765
12
MAIS
0.45 – 1.1
1.40 – 2.50
8.2 – 12.2
32
32
7
20
30
400-800
variabile
HYDICE
0.4 – 2.5
206
7.6-14.9
0.5
320
12
HYMAP
0.44 – 0.88
0.881 – 1.335
1.4 – 1.81
1.95 – 2.94
16
13
12
16
2.52.0
512
12
MODIS
0.4 – 14.5
71
128
36
8
A. Dermanis, L. Biagi
I DATI
Un’immagine multispettrale:
per ogni banda k viene registrata la medesima scena
pixel xij
no di bande
Per 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 data
1: nero (minima luminosità registrabile) …
255: bianco (massima luminosità registrabile)
Radiometric resolution, Dynamic interval (Risoluzione
radiometrica o intervallo dinamico ): no di bit per pixel
A. Dermanis, L. Biagi
I FORMATI DEI DATI
BSQ:
Band Sequential
BIP:
Band Interleaved
by Pixel
BIL:
Band Interleaved
by Line
A. Dermanis, L. Biagi
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,
...
A. Dermanis, L. Biagi
PRESENTAZIONE DEI DATI
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
Il sistema di colori RGB
A. Dermanis, L. Biagi
Landsat
Thematic Mapper
7 bande
Banda 1
Banda 2
Banda 3
Banda 4
Banda 5
Banda 7
Banda 6
Composizioni a falsi colori
3 2 1
4 3 2
7 4 2
7 5 4
5 A.7Dermanis,
4 L. Biagi