Tesi di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Candidato: Gabriele Poli Elaborazione dei dati del sensore SeaWiFS. Interpolazione segmentata terra-mare.

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1 Tesi di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Candidato: Gabriele Poli Elaborazione dei dati del sensore SeaWiFS. Interpolazione segmentata terra-mare orientata alla fusione dati Applicazioni alla clorofilla su Arcipelago Toscano e Sicilia Università degli Studi di Firenze Relatori: Prof. P.F. Pellegrini Prof. D. Giuli Co-Relatore: Ing. M. Tommasini DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Firenze, 20 Settembre 2002

2 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze Inquadramento del lavoro di Tesi: a) Stazione di Telerilevamento da Sensori Satellitari presso il PIN (Polo Universitario di Prato) b) Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale della Toscana in Piombino (ARPAT) Area Tutela Ambiente Marino, Lagunare, Costiero e dell’Ittofauna c) Progetto MIR (Metodologie Integrate di Indagine in Aree di Pregio Ambientale Mirate alla Valorizzazione e Gestione delle Risorse) su Toscana e Sicilia, finanziato dal MURST (Ministero dell’Università e della Ricerca Scientifica e Tecnologica) Lavoro di tesi svolto nell’ambito di convenzioni di ricerca con:

3  Analisi del sensore SeaWiFS a bordo del satellite SeaStar  Elaborazione dei dati del sensore SeaWiFS con software proprietario NASA ( SeaDAS ) e con programmi originali realizzati (catena SWAmEdit ) finalizzata all’osservazione del mare  Realizzazione di algoritmi per analisi sub-pixel con interpolazione segmentata terra-mare  Calibrazione dell’algoritmo di calcolo della concentrazione di clorofilla-a da dati SeaWiFS ( OC2v4 ), utilizzando dati verità ARPAT  Analisi della correlazione spettrale tra i canali dei sensori SeaWiFS e AVHRR-NOAA mirata alla fusione dati DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze Principali argomenti di Tesi:

4 Caratteristiche delle bande spettrali del sensore SeaWiFS DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze

5 Elaborazione dei dati SeaWiFS DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze

6 Principali Programmi Originali Realizzati (catena SWAmEdit )  estrazione dei tempi di acquisizione delle righe di scansione  calcolo della traccia sub satellite  geolocazione dei dati acquisiti  correzione geografica dell’immagine ottenuta  calibrazione radiometrica dei dati grezzi, ottenimento della radianza al sensore in mW cm -2 μm -1 sr -1  interpolazione segmentata terra-mare su griglia Mercatore WGS84 dei dati geolocati  presentazione delle immagini raster interpolate con aggiunta di artefatti DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze

7 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze SeaWiFS Immagine come ripresa da satellite non georeferenziata (banda 6 - 670 nm) nome file: x9806111.BC6 contenuto dell’immagine: count [count] data: 2 Marzo 1998 ora UTC: 11:45:32 file di origine: S1998061114532.L1A_HROM finestra geografica: Arcipelago Toscano

8 SeaWiFS Immagine elaborata con SeaDAS ricampionata con tecniche Nearest Neighbour e con aggiunta di artefatti (banda 6 - 670 nm) nome file: xa9806111B_670.tiff contenuto dell’immagine: count [count] data: 2 Marzo 1998 ora UTC: 11:45:32 scala: 1:1.000.000 file di origine: S1998061114532.L1A_HROM formato: Arcipelago Toscano DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze

9 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni SeaWiFS Immagine elaborata con catena SWAmEdit ottenuta con i nterpolazione segmentata terra- mare e con aggiunta di artefatti (banda 6 - 670 nm) nome file: xa9806111B_670.tiff contenuto dell’immagine: count [count] data: 2 Marzo 1998 ora UTC: 11:45:32 scala: 1:1.000.000 file di origine: S1998061114532.L1A_HROM formato: Arcipelago Toscano

10 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze SeaWiFS Immagine elaborata con SeaDAS ricampionata con tecniche Nearest Neighbour e con aggiunta di artefatti (clorofilla-a) nome file: xa9806111B_chl_oc2.tiff contenuto dell’immagine: concentrazione di clorofilla-a [mg m -3 ] data: 2 Marzo 1998 ora UTC: 11:45:32 scala: 1:1.000.000 file di origine: S1998061114532.L1A_HROM formato: Arcipelago Toscano

11 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze SeaWiFS Immagine elaborata con catena SWAmEdit ottenuta con i nterpolazione segmentata terra- mare e con aggiunta di artefatti (clorofilla-a) nome file: xa806111.BCH contenuto dell’immagine: concentrazione di clorofilla-a [mg m -3 ] data: 2 Marzo 1998 ora UTC: 11:45:32 scala: 1:1.000.000 file di origine: S1998061114532.L1A_HROM formato: Arcipelago Toscano

12 Analisi sub-pixel per studio su scala regionale (count banda 3 AVHRR- NOAA) DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze Perdita di risoluzione in prossimità delle coste Interpolazione bilineare Assenza di controllo preventivo sui pixel della griglia di interpolazione e sui punti acquisiti da satellite

13 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni 1.Controllo classificazione terra-mare pixel griglia da interpolare 2.Controllo classificazione terra-mare dei punti reticolo di riferimento 3.Informazione sulla contaminazione dei punti reticolo di riferimento (vicinanza alla costa) Università degli Studi di Firenze Interpolazione segmentata terra-mare

14 Classificazione terra-mare dei pixel griglia (esempio su Arcipelago Toscano) Flag numerico ClassTM: ClassTM = 0  pixel di costa ClassTM = 1  pixel di terra ClassTM = 2  pixel di mare 0 1 2 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze Maschera terra-mare (file raster 8 bit/pixel)

15 Classificazione terra-mare dei punti reticolo (esempio su Arcipelago Toscano) Informazione di contaminazione per i punti reticolo (matrice di approssimazione del lobo del sensore satellitare) DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze

16 Tre flag numerici: ClassTM  flag di classificazione terra-mare LM  lato della matrice di approssimazione (in pixel) N  numero di pixel di terra o costa contenuti nella matrice di approssimazione Maschera terra-mare con informazione di contaminazione (file raster 16 bit/pixel) DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze

17 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Maschera terra- mare con informazione di contaminazione flag di classificazione terra-mare per un punto reticolo (ClTM) indice di contaminazione per un punto reticolo (cn % ) Idoneità di un punto reticolo all’interpolazione di un pixel griglia criterio 1 Punto reticolo con stessa classificazione terra- mare del pixel griglia criterio 2 Punto reticolo con stessa classificazione terra-mare del pixel griglia e con indice di contaminazione inferiore alla soglia cn %s ClassTM = ClTM cn % < cn %s Università degli Studi di Firenze Utilizzo Maschera terra-mare con informazione di contaminazione

18  sostituzione dei punti di riferimento per l’interpolazione in un singolo quadrilatero di interpolazione – ITM01.EXE  sostituzione dei punti di riferimento per l’interpolazione con ricerca a spirale - ITM02.EXE  ricalcolo dei punti di riferimento per l’interpolazione con ricerca in due direzione – ITM03.EXE  ricalcolo dei punti di riferimento per l’interpolazione con ricerca in otto direzioni – ITM04.EXE Algoritmi di interpolazione segmentata realizzati DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze

19 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Ricalcolo dei punti di riferimento per l’interpolazione con ricerca in otto direzioni – ITM04.EXE Università degli Studi di Firenze Scelta della direzione di ricalcolo 1.Numero di punti idonei lungo la direzione 2.Distanza media dei punti idonei dal punto da ricalcolare 3.Tipo di direzione

20 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Interpolazione bilineare Interpolazione segmentata Ricalcolo dei punti di riferimento per l’interpolazione con ricerca in due direzioni (cn %s = 7%) Interpolazione segmentata Ricalcolo dei punti di riferimento per l’interpolazione con ricerca in otto direzioni (cn %s = 7%) Università degli Studi di Firenze

21 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Calibrazione dell’algoritmo di calcolo della concentrazione di clorofilla-a da dati SeaWiFS (OC2v4), utilizzando dati verità ARPAT Università degli Studi di Firenze

22 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Stazioni di rilevamento di parametri ambientali su mare considerate distanza dalla costa: 3000 m profondità: 30 - 40 cm ARPAT Arcipelago Toscano Università degli Studi di Firenze

23 Confronto tra dati di concentrazione di clorofilla-a rilevati ARPAT-mare e dati SeaWiFS (OC2v4 nominale e ottimo) DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Università degli Studi di Firenze

24 Grafici di dispersione DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Coefficienti nominali: a0 = 0.319 a1 = -2.336 a2 = 0.879 a3 = -0.135 a4 = -0.071 errore quadratico medio: 0.381663 Coefficienti ottimi: a0 o = 0.069 a1 o = -2.086 a2 o = 0.629 a3 o = 0.115 a4 o = -0.221 errore quadratico medio: 0.128472 Università degli Studi di Firenze

25 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Analisi della correlazione spettrale tra i canali dei sensori SeaWiFS e AVHRR-NOAA Università degli Studi di Firenze

26 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Files immagine utilizzati (Arcipelago Toscano) SeaWiFS (5 Febbraio 1998, ora UTC 11:12)  radianza al sensore banda 6 (610 nm)  radianza al sensore banda 7 (765 nm)  radianza al sensore banda 8 (865 nm) AVHRR-NOAA (6 Febbraio 1998, ora UTC 13:26)  radianza al sensore banda 1 (630 nm)  radianza al sensore banda 2 (862.5 nm) Università degli Studi di Firenze

27 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni SeaWiFS Arcipelago Toscano radianza al sensore banda 6 (610 nm) data: 5 Febbraio 1998 ora UTC: 11:12 Università degli Studi di Firenze

28 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni AVHRR-NOAA Arcipelago Toscano radianza al sensore banda 1 (630 nm) data: 6 Febbraio 1998 ora UTC: 13:26 Università degli Studi di Firenze

29 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Diagramma spettrale SeaWiFS banda 6 (670 nm) AVHRR-NOAA banda 1 (630 nm) (xa1s601.BDS) Università degli Studi di Firenze

30 DET Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Telecomunicazioni Conclusioni:  Progetto e realizzazione di una catena di elaborazione dati del sensore SeaWiFS  Miglioramento della definizione delle immagini in prossimità della costa tramite gli algoritmi di interpolazione segmentata (risoluzione sub-pixel)  Realizzazione di un metodo per la calibrazione dell’algoritmo di calcolo della concentrazione di clorofilla-a da dati SeaWiFS (OC2v4)  Riscontro di una buona correlazione spettrale tra i canali dei sensori SeaWiFS e AVHRR-NOAA basilare per lo sviluppo di tecniche di fusione dati  Il presente lavoro verrà utilizzato come base per la futura attività di ricerca riguardante il satellite ENVISAT, lanciato recentemente da ESA Università degli Studi di Firenze