Corso di Laurea Magistrale in
Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
A.A. 2012-2013
Telerilevamento e SIT
Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci
Cartografia numerica (2/4)
L’informazione geografica in formato RASTER
• La carta è costituita da una “matrice di celle”; la cella elementare viene
denominata pixel (picture element) ed è caratterizzata da uno specifico
attributo, espresso mediante un codice numerico binario (serie di bit) e al quale
viene associato uno specifico colore.
• Un raster viene descritto utilizzando il concetto di risoluzione:
- risoluzione geometrica: n° di celle/unità di superficie (dpi);
- risoluzione radiometrica: n° di bit con cui si esprime il contenuto
informativo di ciascun pixel (colore)
• E’ privo di layers e non esistono gli oggetti: questi ultimi possono essere
distinti esclusivamente mediante il contenuto radiometrico (attributo di
colore).
• Non esistono “oggetti”, intesi come entità autoconsistenti, selezionabili,
modificabili, collegabili a un DB, ...
• Un raster deve essere georeferenziato
• Formati: TIF, BMP, JPG, ….
georeferenziazione = posizionamento
spaziale degli elementi geografici, nel
sistema di riferimento cartografico
utilizzato
Struttura dati RASTER
(0,0)
1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 1
Esempio di codifica
numerica ad 1 bit
1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 1
1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 1
H = numero di pixel
orizzontali
1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 1
1 1 1 1
0 0 1 1 1 1 1 1
1 1 1 0
0 1 1 1 1 1 1 1
1 1 0 0
1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 1
1 1 1 0 0 0 0 1
0 0 1 1
1 1 1 0 0 0 0 1
0 1 1 1
1 1 1 0 0 0 0 1
V = numero di pixel
verticali
R = n° di bit di profondità
di colore (risoluzione
radiometrica)
(H,V)
Ogni pixel è individuato:
- dalla posizione: n. riga, n. colonna
(nel sistema di riferimento immagine)
- da un valore ad esso associato
valore
0-1 (bianco o nero):
immagini al tratto
1 bit
0-255 (scala di grigi): immagini monocromatiche 8 bit
0-255 (palette di colori):immagini a colori
8 bit
(0-255)x 3 (colori R, G, B): immagini a colori 24 bit
21 = 2 valori
28 = 256 valori
28 = 256 valori
224= 16.777.216 valori
Dimensioni fisiche dei file raster
La cartografia numerica raster, specialmente se ad alta risoluzione e a
elevata profondità di colore, occupa grandi spazi di memoria
file di grandi dimensioni
Dimensione del file in byte:
H pixel Orizzontali
V pixel Vertcali
H x V x R/8
[B]
R profondità di colore (numero di Bit)
Nota: 1kB = 210 B = 1024 B; 1MB = 10242 B = 1.048.576 byte
Esempio: 7480 x 5680 x 24bit 121 mB !!!
NECESSITA’ DI METODOLOGIE DI COMPRESSIONE
Algoritmi di compressione
Gli algoritmi di compressione si suddividono in due categorie:
algoritmi NON DISTRUTTIVI (lossless):
- non causano perdita di informazioni → i contenuti delle immagini
rimangono inalterati;
- efficienza della compressione relativamente bassa (riduzione di
occupazione di memoria minore del 50%);
algoritmi DISTRUTTIVI (lossy):
- causano un degrado irreversibile basato su processi di “semplificazione”
dell’immagine (abbassamento della risoluzione o “appiattimento” delle
tonalità di colore)
- effetti non sempre percepibili dall’occhio umano;
- efficienza di compressione molto elevata (dal 50 al 99%).
Formati compressi più diffusi
Con compressione lossless:
– BMP (Windows Bitmap)
– TIFF (Tagged Image File Format)
– GIF (Graphics Interchange Format)
– PNG (Portable Network Graphics)
– TGA (schede grafiche Targa)
Con compressione lossy:
– JPEG (Joint Photographic Expert Group)
Tecniche di compressione NON DISTRUTTIVE
RLE (Run Lenght Encoding): compressione "senza perdita"
supportata da formati molto diffusi, quali TIFF, BMB, Photoshop
CCITT (Comitato Consultivo per la Telefonia e la
Telegrafia Internazionali): compressione "senza perdita",
applicabile solo a immagini in bianco e nero, supportata, ad
esempio, dal formato PDF.
LZW (Lemple-Zif-Welch): compressione supportata dai
formati di file TIFF, PDF, GIF ed in linguaggio PostScript,
utilizzata in particolare per immagini con ampie aree
monocromatiche.
ZIP: compressione supportata dal formato PDF, utilizzata
soprattutto per immagini con ampie aree monocromatiche.
Compressione RLE
RLE è l'acronimo di Run Lenght Encoding (codifica della lunghezza delle
sequenza) e indica un algoritmo lossless molto semplice
Serie di pixel dello stesso colore vengono codificate attraverso la lunghezza
della serie (n. di pixel) e il colore
RRRRRRBRRRV V BB B B
compressione
6R B 3R 2V 4B
La compressione è molto efficace se l'immagine contiene ampie zone di
colore uniforme.
Compressione LZW
Lemple e Zif presentarono la prima versione nel 1977 (LZ77).
Nel 1984, Welch perfezionò l'algoritmo nella versione nota come LZW
Il metodo si basa sull'osservazione che l a quantità di memoria
necessaria per archiviare una stringa è proporzionale al numero
di simboli (codici) di cui è composta.
RRB RRRBRRRV V BB RV
Si può comprimere una stringa impiegando un numero inferiore
di simboli per esprimere la stessa informazione
Compressione LZW
Senza compressione verrebbe
memorizzata la sequenza di
16 simboli (o codici):
RRBRRRBRRRVVBBRV
Nella sequenza si possono riconoscere parti che si ripetono (sottostringhe) e che possono essere indicate con nuovi simboli (o codici).
RB → α
RR → β
RV → γ
La stringa potrà essere memorizzata, ad esempio, come la seguente
sequenza di 10 simboli:
RαβαβγVBBγ
Formato BitMAP (BMP)
E’ un formato universalmente riconosciuto, in quanto standard per la
memorizzazione delle immagini, sotto forma di matrici di bit, a partire dalle prime
versioni di Microsoft Windows
Informazioni memorizzate:
- numero di pixel in ogni riga e numero di righe della matrice
(dimensione matrice);
- numero di bit per pixel → valori numerici disponibili per
caratterizzare l'informazione associata al pixel;
- (eventuale) tabella dei colori, che consente di associare i
valori numerici della bitmap a colori specifici.
Un file bitmap può contenere immagini a 1, 4, 8, 15, 24, 32 o 64 bit per pixel, in
formato compresso o non compresso.
La compressione si basa in genere su algoritmi non distruttivi RLE.
La compressione è poco efficace → riduzione modesta delle dimensioni dei file
bitmap
immagine
tabella dei
colori
Nell'esempio, ogni pixel è rappresentato da un numero a 4 bit → Nella tabella
dei colori sono disponibili 2^4 = 16 colori.
Ogni colore della tabella è rappresentato da un numero a 24 bit: 8 bit per il
rosso, 8 bit per il verde e 8 bit per il blu.
I numeri vengono mostrati in formato esadecimale (base 16): A = 10, B = 11, C = 12, D = 13, E = 14, F = 15.
Formato TIFF (Tag Image File Format )
Supporta qualsiasi risoluzione e qualsiasi profondità di colore
Non è dotato di algoritmi di compressione propri, ma supporta
l’algoritmo NON DISTRUTTIVO LZW
Anche con l’impiego di LZW si ottengono file di grandi dimensioni,
ma più piccoli del BMP
La flessibilità, l’affidabilità, gli elevati livelli di compatibilità, l’alta
qualità a video e in stampa hanno reso il formato TIFF quasi uno
standard di riferimento per la cartografia raster
Lievi differenze tra i TAG (metadati) dei diversi SW e tra le varie
versioni (ad es. v5/v6 e Win/Mac) causano piccole incompatibilità
che hanno impedito al formato TIFF di diventare uno standard
assoluto
7480 x 5680 x 24 Bit = 121 mB (non compresso)
7480 x 5680 x 24 Bit = 113 mB (con LZW)
Formato GIF (Graphics Interchange Format )
Supporta tutte le risoluzioni ma esclusivamente 8 bit di profondità di
colore (256 colori o 256 toni di grigio)
Creato da CompuServe, uno dei primi operatori di servizi commerciali
online (oggi server provider), per trasmettere velocemente in rete le
immagini
La compressione è basata su algoritmo LZW (non distruttivo) e
consente anche di salvare le immagini in un formato interlacciato, che
produce una visualizzazione graduale dell'immagine man mano che i
dati arrivano al browser. Ad ogni passo si infittiscono le linee di pixel
che formano l'immagine e appare un'immagine via via più completa e
nitida (possibilità di disporre di un'anteprima dell'immagine mentre la si
scarica dal browser).
Va molto bene per immagini “al tratto”, sia in bianco e nero che a
colori, meno bene per fotografie e immagini sfumate
7480 x 5680 x 8 Bit → 30,6 mB (con LZW)
Compressioni distruttive: JPEG
Alcune informazioni memorizzate in un file immagine sono ridondanti o
addirittura inutili ai fini della percezione sensoriale.
La vista dell'uomo, infatti, ha molti limiti e spesso non riesce a percepire
tutte le informazioni disponibili.
In particolare, l'occhio umano ha recettori di luminanza (bianco e nero)
molto più sensibili rispetto a quelli di crominanza (colore) ed è grazie alla
luminanza dell'immagine che l'occhio ne percepisce il livello di dettaglio.
E’ dunque possibile, nella memorizzazione di immagini o suoni, eliminare
alcune informazioni senza compromettere per questo la qualità percepita.
Da questa idea è nato, nel 1991, l’algoritmo JPEG (Joint Photographic
Experts Group), che interviene separatamente e con diverso “peso” sulle
due componenti dell'immagine (luminosità e colore) e applica algoritmi
differenti, che modificano poco la luminosità originaria ma intervengono
drasticamente sul colore, ottenendo buoni risultati in termini di
compressione senza che la percezione visiva venga sostanzialmente
compromessa.
Compressioni distruttive: JPEG
Garantisce compressioni molto spinte, per cui è diventato quasi
uno standard per le applicazioni in cui non siano necessari dettagli
particolari (fotografia digitale amatoriale, internet)
Basato su algoritmo distruttivo, JPEG funziona molto bene su
immagini con campiture sfumate (fotografie, incarnati, paesaggi) ,
meno bene in immagini al tratto (cartografie), dove le linee più sottili
vengono alterate.
E' possibile configurare il livello di compressione desiderato (ed il
relativo decadimento della qualità):
7480 x 5680 x 24 Bit = 57,4 mB (con JPEG12)
7480 x 5680 x 24 Bit = 6,2 mB (con JPEG7)
7480 x 5680 x 24 Bit = 1,9 mB (con JPEG0)
ATTENZIONE: la compressione JPEG degrada in modo permanente la qualità
dell'immagine → salvare il formato originario!
Altri formati specifici per cartografia
I formati sinora trattati non vengono utilizzati solo per
applicazioni cartografiche ma per qualsiasi altro tipo di
immagine bitmap.
Esistono altri formati di compressione basati su
algoritmi ottimizzati (particolare attenzione a linee
sottili e punti isolati) per garantire elevata qualità su
dati raster cartografici.
Formato MrSID
(Multiresolution Seamless Image Database)
Sviluppato e commercializzato da LizardTech ed oggi supportato
nativamente dalla maggior parte dei Software, fornisce elevati livelli di
compressione (10-15:1) ed elevati livelli qualitativi.
La decodifica dell’immagine compressa è di tipo selettivo, ovvero non
viene decompresso l’intero file, ma esclusivamente la zona d’interesse
(zoom)
Formato ECW
(Enhanced Compressed Wavelet)
Sviluppato e commercializzato da ER Mapper, è supportato dalla
maggior parte dei Software a seguito dell’istallazione di specifici plugin gratuiti (www.planetek.it). Elevati livelli di compressione
(mediamente 10-15:1) e qualità.
compressione wavelet
Una traformata wavelet discreta (DWT, discrete wavelet transform)
corrisponde a un banco di filtri digitali.
L'algoritmo di compressione è alla base anche dello standard JPEG2000,
successore del formato JPEG.
Nella prima fase l'immagine originale viene per prima cosa separata nei vari
canali di colore (trasformazione delle componenti).
Segue la suddivisione dell'immagine, per ciascuna banda cromatica, in livelli
gerarchici (blocchi rettangolari non sovrapposti e successivamente richiamabili
indipendentemente).
L'immagine viene filtrata, in genere
separatamente per righe e colonne, e
sottocampionata.
Il ricampionamento porta, da una matrice
(NxM), a quattro matrici delle dimensioni di
(N/2 x M/2), che corrispondono alle quattro
combinazioni di filtraggio (passa alto e
passa basso) delle righe e delle colonne;
ognuna delle immagini può a sua volta
essere filtrata e sottocampionata fino al
livello desiderato di (multi)risoluzione.
Efficienza della compressione nei diversi formati
Formato
Compressione
kByte
mByte
BMP
-
124472
121
TIF
-
124490
121
TIF
LZW
116293
113
TIF
ZIP
94664
92.4
GIF
LZW
31429
30.6
JPEG
Livello 12 (min)
58853
57.4
JPEG
Livello 9
13914
13.5
JPEG
Livello 7
6367
6.21
JPEG
Livello 4
3985
3.89
JPEG
Livello 0 (max)
1979
1.90
ECW
Wavelet
11576
11.3
Georeferenziazione di un’immagine raster
GEOREFERENZIARE un qualsiasi dato geografico significa inquadrarlo in un assegnato
datum e sistema cartografico.
Occorre conferire al raster i corretti parametri di
scalatura e posizionamento cartografico in
funzione del sistema di riferimento adottato.
Solo su un raster correttamente georeferenziato
è possibile “leggere” le coordinate ed effettuare
misure.
Posizionamento e
scalatura errati
Georeferenziazione
FILE DI
GEOREFERENZIAZIONE
(World File)
FILE DI GEOREFERENZIAZIONE (World File)
I formati raster cartografici (GeoTIFF, ERDAS, ...) contengono nello header del file i
dati di georeferenziazione: parametri che permettono di passare dal sistema di
riferimento immagine, dove X = n. colonna e Y = n. riga, al sistema cartografico (E, N).
World File
E’ un piccolo file testuale in formato ASCII con
estensione composta dal primo e dall’ultimo carattere
dell’estensione del file immagine seguiti da w.
*.tif *.tfw ;
*.bmp *.bpw ; …........
Il world file può essere creato attraverso l'inserimento manuale dei parametri
di georeferenziazione (ove disponibili) o mediante l'attivazione di procedure
automatiche basate sull’inserimento di Ground Control Points (GCP).
La georeferenziazione di immagini raster
GCP (Ground Control Point) punti
riconoscibili sul raster e sui quali si
impongono le coordinate (note o
appositamente rilevate) nel sistema di
riferimento cartografico utilizzato.
• Differenti algoritimi di georeferenz.
• X1, Y1
• X2, Y2
• ....
• Xn, Yn
e ricampionamento dell’immagine
(lineare, polinomiale di secondo e
terzo ordine) in funzione del tipo di
deformazioni presenti
• numero di punti necessari in
funzione dell’algoritmo scelto
• punti uniformemente distribuiti su
tutta la superficie dell’immagine
• maggiore n migliore risultato
FILE DI GEOREFERENZIAZIONE (World File)
Esempio di file di georeferenziazione (“world file”)
0.600
0.000
0.000
- 0.600
2152860.000
4239640.000
dimensione pixel (a terra) in direzione E [m]
rotazione per le righe
rotazione per le colonne
dimensione pixel in direzione N [m]
coordinata E del pixel (1,1) [m
coordinata N del pixel (1,1) [m]
Può essere ricavato mediante trasformazione affine
(6 parametri)
N
Origine del sistema di riferimento interno
(immagine) al centro del pixel in alto a
sinistra
E
E = aX + bY + c
N = dX + eY + f
I
sistemi
di
riferimento
cartografici hanno di norma
l’asse N (coordinate Nord)
orientato con il verso l’alto,
mentre il sistema di riferimento
interno ai raster solitamente ha
l’asse y rivolto verso il basso
I files WORLD
N
segno meno al quarto rigo
y
x
E
Estensioni e formati file – Worl file (file di georeferenziazione)
.BIL: estensione del file raster in formato Band Interleaved by Line. Il file è binario. Il suo World
File ha estensione .HDR.
.BIP: estensione del file raster in formato Band Interleaved by Pixel. Il file è binario. Il suo
World File ha estensione .HDR.
.BMP: estensione del file raster in formato Windows Bitmap. Il file è binario.
.BPW: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato Windows Bitmap.
Contiene le coordinate dell’angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed
eventuali fattori di rotazione. Il formato del file è uguale a quello .TFW.
.BSQ: estensione del file raster in formato Band Sequential. Il file è binario. Il suo World File ha
estensione .HDR.
.CEN: estensione del file vettoriale AIMA, contenente punti con i campi degli attributi già
predefiniti (PART, SUB e CODPART)
.DBF: estensione generica dei file archivio in formato DBASE, utilizzato per la memorizzazione
degli attributi di archi, punti e poligoni nel formato SHAPEFILE di ArcView™.
.DXF: estensione dei file grafici di AutoCad™.
.DWG: estensione dei file grafici di AutoCad™.
.E00: estensione del file di export di ArcInfo™.
.FOT: estensione del file raster in formato FOT AIMA. Il file è binario.
.GAF: estensione del file raster in formato GAF AIMA. Il file è binario.
.GIF: estensione del file raster in formato GIF. Il file è binario.
.GFW: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato GIF. Contiene
le coordinate dell’angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed eventuali
fattori di rotazione. Il formato del file è uguale a quello . TFW.
.JPG: estensione del file raster in formato JPEG. Il file è binario.
.JGW: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato JPEG. Contiene
le coordinate dell’angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed eventuali
fattori di rotazione. Il formato del file è uguale a quello . TFW.
HDR: estensione del file di georeferenziazione (World File) di un file raster in formato Band
Interlived by Line (.BIL), Band Interlived by Pixel (.BIP) o Band Sequential (.BSQ).
.LIM: estensione del file degli archi in formato UNGENERATE di ArcInfo™.
.MIF/MID: estensioni dei file di export di MapInfo™. Le classi di oggetti archi, punti, poligoni
ed annotazioni vengono salvati in file separati.
.NTF: estensione del file di export dei dati catastali.
.PNG: estensione del file raster in formato PNG. Il file è binario.
.PGW: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato PNG.
Contiene le coordinate dell’angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed
eventuali fattori di rotazione. Il formato del file è uguale a quello . TFW.
.POL: estensione del file dei poligoni in formato UNGENERATE di ArcInfo™.
.PTS: estensione del file dei punti in formato UNGENERATE di ArcInfo™.
.SHP: estensione del file delle coordinate (per archi, punti e poligoni) in formato SHAPEFILE di
ArcView™.
.SHX: estensione del file di intestazione (per archi, punti e poligoni) in formato SHAPEFILE di
ArcView™.
.TIF: estensione del file raster in formato TIFF. Il file è binario.
.TFW: estensione del file di georeferenziazione di un file raster in formato TIFF.
Contiene le coordinate dell’angolo in alto a sinistra, la dimensione della cella (o del pixel) ed
eventuali fattori di rotazione.
.TSF: estensione di un file vettoriale TSF Gheo contenente archi, punti, poligoni, annotazioni e
quotature.
.VET/CXY: estensione di un file vettoriale AIMA contenente archi e punti. I punti hanno i campi
degli attributi già predefiniti (PART, SUB)
Classificazione
multitemporale
da immagini
NOAA 11AVHRR
(Gomarasca, 1997)
The Pyramids at Giza, Egypt
(29.88N 35.2E), form a
substantial complex situated
close to the Nile on the
edge of the Western
Desert. Built between c.
2500 and 2000BC, the
three main pyramids and
associated complexes of
subsidiary pyramids,
temples and bench-like
'mastaba' tombs can be
readily seen on a Russian
KVR-1000 satellite image of
the area.
Fotografia aerea della zona ovest di Londra
Immagine acquisita dal
satellite ERS-1 nel dicembre
1992, dieci giorni dopo
l’incidente occorso alla
petroliera greca Aegean Sea
che era arenata sulla costa
spagnola.
Subito dopo l’incidente
l’aereo addetto al
monitoraggio aveva potuto
osservare solo
l’inquinamento vicino alla
costa; l’immagine dal satellite
rivelò che l’area interessata
dallo sversamento era molto
più estesa.
