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L’obiettivo della tesi riguarda l’utilizzo di immagini aerofotogrammetriche e telerilevate per la caratterizzazione qualitativa e quantitativa di ecosistemi forestali e della loro evoluzione. Le tematiche affrontate hanno riguardato, da una parte, l’aspetto fotogrammetrico, mediante recupero, digitalizzazione ed elaborazione di immagini aeree storiche di varie epoche, e, dall’altra, l’aspetto legato all’uso del telerilevamento per la classificazione delle coperture al suolo. Nel capitolo 1 viene fatta una breve introduzione sullo sviluppo delle nuove tecnologie di rilievo con un approfondimento delle applicazioni forestali; nel secondo capitolo è affrontata la tematica legata all’acquisizione dei dati telerilevati e fotogrammetrici con una breve descrizione delle caratteristiche e grandezze principali; il terzo capitolo tratta i processi di elaborazione e classificazione delle immagini per l’estrazione delle informazioni significative. Nei tre capitoli seguenti vengono mostrati tre casi di applicazioni di fotogrammetria e telerilevamento nello studio di ecosistemi forestali. Il primo caso (capitolo 4) riguarda l’area del gruppo montuoso del Prado- Cusna, sui cui è stata compiuta un’analisi multitemporale dell’evoluzione del limite altitudinale degli alberi nell’arco degli ultimi cinquant’anni. E’ stata affrontata ed analizzata la procedura per il recupero delle prese aeree storiche, definibile mediante una serie di successive operazioni, a partire dalla digitalizzazione dei fotogrammi, continuando con la determinazione di punti di controllo noti a terra per l’orientamento delle immagini, per finire con l’ortorettifica e mosaicatura delle stesse, con l’ausilio di un Modello Digitale del Terreno (DTM). Tutto ciò ha permesso il confronto di tali dati con immagini digitali più recenti al fine di individuare eventuali cambiamenti avvenuti nell’arco di tempo intercorso. Nel secondo caso (capitolo 5) si è definita per lo studio della zona del gruppo del monte Giovo una procedura di classificazione per l’estrazione delle coperture vegetative e per l’aggiornamento della cartografia esistente – in questo caso la carta della vegetazione. In particolare si è cercato di classificare la vegetazione soprasilvatica, dominata da brughiere a mirtilli e praterie con prevalenza di quelle secondarie a nardo e brachipodio. In alcune aree sono inoltre presenti comunità che colonizzano accumuli detritici stabilizzati e le rupi arenacee. A questo scopo, oltre alle immagini aeree (Volo IT2000) sono state usate anche immagini satellitari ASTER e altri dati ancillari (DTM e derivati), ed è stato applicato un sistema di classificazione delle coperture di tipo objectbased. Si è cercato di definire i migliori parametri per la segmentazione e il numero migliore di sample per la classificazione. Da una parte, è stata fatta una classificazione supervisionata della vegetazione a partire da pochi sample di riferimento, dall’altra si è voluto testare tale metodo per la definizione di una procedura di aggiornamento automatico della cartografia esistente. Nel terzo caso (capitolo 6), sempre nella zona del gruppo del monte Giovo, è stato fatto un confronto fra la timberline estratta mediante segmentazione ad oggetti ed il risultato di rilievi GPS a terra appositamente effettuati. L’obiettivo è la definizione del limite altitudinale del bosco e l’individuazione di gruppi di alberi isolati al di sopra di esso mediante procedure di segmentazione e classificazione object-based di ortofoto aeree in formato digitale e la verifica sul campo in alcune zone campione dei risultati, mediante creazione di profili GPS del limite del bosco e determinazione delle coordinate dei gruppi di alberi isolati. I risultati finali del lavoro hanno messo in luce come le moderne tecniche di analisi di immagini sono ormai mature per consentire il raggiungimento degli obiettivi prefissi nelle tre applicazioni considerate, pur essendo in ogni caso necessaria una attenta validazione dei dati ed un intervento dell’operatore in diversi momenti del processo. In particolare, le operazioni di segmentazione delle immagini per l’estrazione di feature significative hanno dimostrato grandi potenzialità in tutti e tre i casi. Un software ad “oggetti” semplifica l’implementazione dei risultati della classificazione in un ambiente GIS, offrendo la possibilità, ad esempio, di esportare in formato vettoriale gli oggetti classificati. Inoltre dà la possibilità di utilizzare contemporaneamente, in un unico ambiente, più sorgenti di informazione quali foto aeree, immagini satellitari, DTM e derivati. Le procedure automatiche per l’estrazione della timberline e dei gruppi di alberi isolati e per la classificazione delle coperture sono oggetto di un continuo sviluppo al fine di migliorarne le prestazioni; allo stato attuale esse non devono essere considerate una soluzione ottimale autonoma ma uno strumento per impostare e semplificare l’intervento da parte dello specialista in fotointerpretazione.

Le soluzioni tecnologiche rese oggi disponibili dalle discipline della moderna Geomatica, offrono opportunità di grande interesse per il rilevamento nel settore dei Beni Culturali, sia per quanto riguarda il momento primario del rilievo, cioè la fase di acquisizione del dato metrico, sia per quanto concerne la questione della rappresentazione per oggetti di interesse archeologico, artistico, architettonico. Lo studio oggetto della presente tesi si propone, sulla base di numerose esperienze maturate nel corso del Dottorato dal Laboratorio di Topografia e Fotogrammetria del DISTART, di affrontare e approfondire le problematiche connesse all’utilizzo della fotogrammetria digitale e del laser a scansione terrestre per applicazioni nell’ambito dei Beni Culturali. La ricerca condotta è prettamente applicata, quindi è stata primaria l’esigenza di avere a disposizione reali casi di studio su cui sperimentare le tecniche di interesse; è però importante sottolineare che questo è un campo in cui ogni esperienza presenta proprie caratteristiche e peculiarità che la rendono interessante e difficilmente descrivibile con schemi convenzionali e metodologie standardizzate, quindi le problematiche emerse hanno di volta in volta indirizzato e spinto la ricerca all’approfondimento di certi aspetti piuttosto che altri. A tal proposito è stato evidenziato dalle esperienze effettuate che il campo dei Beni Culturali è forse il più emblematico delle potenzialità rese oggi disponibili dalle moderne tecnologie della Geomatica, e soprattutto dalle possibilità offerte da un approccio integrato e multi – disciplinare di tecniche e tecnologie diverse; per questo nell’Introduzione si è voluto sottolineare questo aspetto, descrivendo l’approccio metodologico adottato in molti lavori in contesto archeologico, che include generalmente diverse tecniche integrate tra loro allo scopo di realizzare in modo veloce e rigoroso un rilievo multi – scala che parte dal territorio, passa attraverso l’area del sito archeologico e degli scavi, ed arriva fino al singolo reperto; questo approccio è caratterizzato dall’avere tutti i dati e risultati in un unico e ben definito sistema di riferimento. In questa chiave di lettura l’attenzione si è poi focalizzata sulle due tecniche che rivestono oggi nel settore in esame il maggiore interesse, cioè fotogrammetria digitale e laser a scansione terrestre. La struttura della tesi segue le fasi classiche del processo che a partire dal rilievo porta alla generazione dei prodotti di rappresentazione; i primi due capitoli, incentrati sull’acquisizione del dato metrico, riguardano quindi da un lato le caratteristiche delle immagini e dei sensori digitali, dall’altro le diverse tipologie di sistemi laser con le corrispondenti specifiche tecniche; sempre nei primi capitoli vengono descritte le caratteristiche metodologiche e tecnico – operative e le relative problematiche delle due tipologie di rilievo. Segue un capitolo sulle procedure di calibrazione delle camere digitali non professionali, imperniato sull’utilizzo di software diversi, commerciali e sviluppati in house per questo scopo, prestando attenzione anche agli strumenti che essi offrono in termini di risultati ottenibili e di controllo statistico sugli stessi. La parte finale della tesi è dedicata al problema della rappresentazione, con l’obiettivo di presentare un quadro generale delle possibilità offerte dalle moderne tecnologie: raddrizzamenti, ortofoto, ortofoto di precisione e infine modelli tridimensionali foto – realistici, generati a partire sia da dati fotogrammetrici sia da dati laser.

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Con il trascorrere del tempo, le reti di stazioni permanenti GNSS (Global Navigation Satellite System) divengono sempre più un valido supporto alle tecniche di rilevamento satellitare. Esse sono al tempo stesso un’efficace materializzazione del sistema di riferimento e un utile ausilio ad applicazioni di rilevamento topografico e di monitoraggio per il controllo di deformazioni. Alle ormai classiche applicazioni statiche in post-processamento, si affiancano le misure in tempo reale sempre più utilizzate e richieste dall’utenza professionale. In tutti i casi risulta molto importante la determinazione di coordinate precise per le stazioni permanenti, al punto che si è deciso di effettuarla tramite differenti ambienti di calcolo. Sono stati confrontati il Bernese, il Gamit (che condividono l’approccio differenziato) e il Gipsy (che utilizza l’approccio indifferenziato). L’uso di tre software ha reso indispensabile l’individuazione di una strategia di calcolo comune in grado di garantire che, i dati ancillari e i parametri fisici adottati, non costituiscano fonte di diversificazione tra le soluzioni ottenute. L’analisi di reti di dimensioni nazionali oppure di reti locali per lunghi intervalli di tempo, comporta il processamento di migliaia se non decine di migliaia di file; a ciò si aggiunge che, talora a causa di banali errori, oppure al fine di elaborare test scientifici, spesso risulta necessario reiterare le elaborazioni. Molte risorse sono quindi state investite nella messa a punto di procedure automatiche finalizzate, da un lato alla preparazione degli archivi e dall’altro all’analisi dei risultati e al loro confronto qualora si sia in possesso di più soluzioni. Dette procedure sono state sviluppate elaborando i dataset più significativi messi a disposizione del DISTART (Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, dei Trasporti, delle Acque, del Rilevamento del Territorio - Università di Bologna). E’ stato così possibile, al tempo stesso, calcolare la posizione delle stazioni permanenti di alcune importanti reti locali e nazionali e confrontare taluni fra i più importanti codici scientifici che assolvono a tale funzione. Per quanto attiene il confronto fra i diversi software si è verificato che: • le soluzioni ottenute dal Bernese e da Gamit (i due software differenziati) sono sempre in perfetto accordo; • le soluzioni Gipsy (che utilizza il metodo indifferenziato) risultano, quasi sempre, leggermente più disperse rispetto a quelle degli altri software e mostrano talvolta delle apprezzabili differenze numeriche rispetto alle altre soluzioni, soprattutto per quanto attiene la coordinata Est; le differenze sono però contenute in pochi millimetri e le rette che descrivono i trend sono comunque praticamente parallele a quelle degli altri due codici; • il citato bias in Est tra Gipsy e le soluzioni differenziate, è più evidente in presenza di determinate combinazioni Antenna/Radome e sembra essere legato all’uso delle calibrazioni assolute da parte dei diversi software. E’ necessario altresì considerare che Gipsy è sensibilmente più veloce dei codici differenziati e soprattutto che, con la procedura indifferenziata, il file di ciascuna stazione di ciascun giorno, viene elaborato indipendentemente dagli altri, con evidente maggior elasticità di gestione: se si individua un errore strumentale su di una singola stazione o se si decide di aggiungere o togliere una stazione dalla rete, non risulta necessario il ricalcolo dell’intera rete. Insieme alle altre reti è stato possibile analizzare la Rete Dinamica Nazionale (RDN), non solo i 28 giorni che hanno dato luogo alla sua prima definizione, bensì anche ulteriori quattro intervalli temporali di 28 giorni, intercalati di sei mesi e che coprono quindi un intervallo temporale complessivo pari a due anni. Si è così potuto verificare che la RDN può essere utilizzata per l’inserimento in ITRF05 (International Terrestrial Reference Frame) di una qualsiasi rete regionale italiana nonostante l’intervallo temporale ancora limitato. Da un lato sono state stimate le velocità ITRF (puramente indicative e non ufficiali) delle stazioni RDN e, dall’altro, è stata effettuata una prova di inquadramento di una rete regionale in ITRF, tramite RDN, e si è verificato che non si hanno differenze apprezzabili rispetto all’inquadramento in ITRF, tramite un congruo numero di stazioni IGS/EUREF (International GNSS Service / European REference Frame, SubCommission for Europe dello International Association of Geodesy). / A precise and accurate coordinates estimation of GNSS (Global Navigation Satellite System) networks is very important; it can be obtained by using many software and following several strategies. One aim of the present work is to evaluate the differences of final solutions coming from different adjustment approaches and software parameterizations. Three different scientific software have been employed: Bernese, Gamit/Globk/Glorg and Gipsy/Oasis II. The Bernese and Gamit software systems adopt the classical approach (based on double phase difference), while the Gipsy software implements the Precise Point Position approach. In order to follow the EUREF (“European REference Frame, SubCommission for Europe” of the “International Association of Geodesy”) guidelines for network densification, harmonization of the ancillary products and options was needed. These guidelines consist of a list of indications covering all phases of data processing. Analyzing the solutions obtained by processing large amounts of data by means of the three software packages, the creation of a dedicated automatic pre and post-processing procedure became necessary. The realization of these procedures permitted data analysis and processing in a very short time. This technical aspect is mandatory considering the elaboration of regional GNSS networks or local networks for a long time span. These procedures were developed by processing the most significant datasets made available to the DISTART (Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, dei Trasporti, delle Acque, del Rilevamento del Territorio - a Department of the University of Bologna). Therefore it has been possible to calculate the position of permanent stations of some important local and national networks and to compare some of the most important scientific codes at the same time. Some final considerations concerning the comparison between different software are listed below: • The solutions obtained by differentiated approaches (Bernese and Gamit) are very close one to each other; • Gipsy solutions (using undifferentiated method) are frequently slightly more scattered than those coming from other software and sometimes they show larger differences mostly regarding the East component; nevertheless, the same differences range a few millimetres, and the trend describing lines are nearly parallel to those referring to the other two codes; • The bias in the East component between Gipsy and differentiated solutions, is more evident in some combinations Antenna/Radome and appears to be related to the use of “absolute antenna calibrations” performed by different software. Anyway, an important consideration coming from software comparison is that Gipsy is faster and more flexible than the others: if an instrumental error is detected on a single station or if you decide to add or remove a station from the network, recalculation of the entire network will not be necessary. The RDN (Rete Dinamica Nazionale) was also analyzed. It has been possible to verify that RDN can be used in order to frame any regional Italian network in ITRF05 (International Terrestrial Reference Frame). On one hand, the trend ITRF (a purely indicative and non-official trend) of the stations RDN has been estimated, on the other, the framework of a regional network in ITRF by means of RDN has been tested.

“Cartographic heritage” is different from “cartographic history”. The second term refers to the study of the development of surveying and drawing techniques related to maps, through time, i.e. through different types of cultural environment which were background for the creation of maps. The first term concerns the whole amount of ancient maps, together with these different types of cultural environment, which the history has brought us and which we perceive as cultural values to be preserved and made available to many users (public, institutions, experts). Unfortunately, ancient maps often suffer preservation problems of their analog support, mostly due to aging. Today, metric recovery in digital form and digital processing of historical cartography allow preserving map heritage. Moreover, modern geomatic techniques give us new chances of using historical information, which would be unachievable on analog supports. In this PhD thesis, the whole digital processing of recovery and elaboration of ancient cartography is reported, with a special emphasis on the use of digital tools in preservation and elaboration of cartographic heritage. It is possible to divide the workflow into three main steps, that reflect the chapter structure of the thesis itself: • map acquisition: conversion of the ancient map support from analog to digital, by means of high resolution scanning or 3D surveying (digital photogrammetry or laser scanning techniques); this process must be performed carefully, with special instruments, in order to reduce deformation as much as possible; • map georeferencing: reproducing in the digital image the native metric content of the map, or even improving it by selecting a large number of still existing ground control points; this way it is possible to understand the projection features of the historical map, as well as to evaluate and represent the degree of deformation induced by the old type of cartographic transformation (that can be unknown to us), by surveying errors or by support deformation, usually all errors of too high value with respect to our standards; • data elaboration and management in a digital environment, by means of modern software tools: vectorization, giving the map a new and more attractive graphic view (for instance, by creating a 3D model), superimposing it on current base maps, comparing it to other maps, and finally inserting it in GIS or WebGIS environment as a specific layer. The study is supported by some case histories, each of them interesting from the point of view of one digital cartographic elaboration step at least. The ancient maps taken into account are the following ones: • three maps of the Po river delta, made at the end of the XVI century by a famous land-surveyor, Ottavio Fabri (he is single author in the first map, co-author with Gerolamo Pontara in the second map, co-author with Bonajuto Lorini and others in the third map), who wrote a methodological textbook where he explains a new topographical instrument, the squadra mobile (mobile square) invented and used by himself; today all maps are preserved in the State Archive of Venice; • the Ichnoscenografia of Bologna by Filippo de’ Gnudi, made in the 1702 and today preserved in the Archiginnasio Library of Bologna; it is a scenographic view of the city, captured in a bird’s eye flight, but also with an icnographic value, as the author himself declares; • the map of Bologna by the periti Gregorio Monari and Antonio Laghi, the first map of the city derived from a systematic survey, even though it was made only ten years later (1711–1712) than the map by de’ Gnudi; in this map the scenographic view was abandoned, in favor of a more correct representation by means of orthogonal projection; today the map is preserved in the State Archive of Bologna; • the Gregorian Cadastre of Bologna, made in 1831 and updated until 1927, now preserved in the State Archive of Bologna; it is composed by 140 maps and 12 brogliardi (register volumes). In particular, the three maps of the Po river delta and the Cadastre were studied with respect to their acquisition procedure. Moreover, the first maps were analyzed from the georeferencing point of view, and the Cadastre was analyzed with respect to a possible GIS insertion. Finally, the Ichnoscenografia was used to illustrate a possible application of digital elaboration, such as 3D modeling. Last but not least, we must not forget that the study of an ancient map should start, whenever possible, from the consultation of the precious original analogical document; analysis by means of current digital techniques allow us new research opportunities in a rich and modern multidisciplinary context.

Satellite SAR (Synthetic Aperture Radar) interferometry represents a valid technique for digital elevation models (DEM) generation, providing metric accuracy even without ancillary data of good quality. Depending on the situations the interferometric phase could be interpreted both as topography and as a displacement eventually occurred between the two acquisitions. Once that these two components have been separated it is possible to produce a DEM from the first one or a displacement map from the second one. InSAR DEM (Digital Elevation Model) generation in the cryosphere is not a straightforward operation because almost every interferometric pair contains also a displacement component, which, even if small, when interpreted as topography during the phase to height conversion step could introduce huge errors in the final product. Considering a glacier, assuming the linearity of its velocity flux, it is therefore necessary to differentiate at least two pairs in order to isolate the topographic residue only. In case of an ice shelf the displacement component in the interferometric phase is determined not only by the flux of the glacier but also by the different heights of the two tides. As a matter of fact even if the two scenes of the interferometric pair are acquired at the same time of the day only the main terms of the tide disappear in the interferogram, while the other ones, smaller, do not elide themselves completely and so correspond to displacement fringes. Allowing for the availability of tidal gauges (or as an alternative of an accurate tidal model) it is possible to calculate a tidal correction to be applied to the differential interferogram. It is important to be aware that the tidal correction is applicable only knowing the position of the grounding line, which is often a controversial matter. In this thesis it is described the methodology applied for the generation of the DEM of the Drygalski ice tongue in Northern Victoria Land, Antarctica. The displacement has been determined both in an interferometric way and considering the coregistration offsets of the two scenes. A particular attention has been devoted to investigate the importance of the role of some parameters, such as timing annotations and orbits reliability. Results have been validated in a GIS environment by comparison with GPS displacement vectors (displacement map and InSAR DEM) and ICEsat GLAS points (InSAR DEM). / L’interferometria SAR (Synthetic Aperture Radar) da satellite si è recentemente affermata tra le tecniche per la produzione di modelli digitali del terreno (DEM), consentendo accuratezze metriche anche in assenza di dati ancillari di buona qualità. A seconda dei casi la fase interferometrica può essere considerata espressione sia della topografia del suolo che di un eventuale spostamento intercorso tra le due acquisizioni: una volta separate queste due componenti dalla prima si ottengono DEM dalla seconda mappe di deformazione. Nella criosfera la generazione di DEM interferometrici è particolarmente problematica per via del fatto che praticamente tutte le coppie presentano anche una componente di movimento, che per quanto piccola, se espressa in termini altimetrici può comportare l’introduzione di errori anche notevoli. Nel caso di un ghiacciaio, assumendone la linearità della velocità di spostamento, è quindi necessario differenziare due coppie in modo da isolare la sola componente di residuo topografico. Si consideri che nel caso di una lingua glaciale flottante sul mare la componente di movimento è determinata sia dal flusso del ghiacciaio che dalle differenti altezze della marea nelle due acquisizioni. Nonostante le due scene costituenti la coppia interferometrica siano acquisite nello stesso istante nella giornata, nell’interferogramma risultano elisi solo i termini principali della marea e non anche quelli minori che quindi comportano l’introduzione di frange di spostamento. Avendo a disposizione misure di marea (o in alternativa un modello di marea accurato) è possibile calcolare una correzione tidale da applicare all’interferogramma differenziale. Si noti che la correzione tidale è applicabile solo a condizione di conoscere l’ubicazione della linea di disancoraggio del ghiacciaio. Si descrive la metodologia individuata per la generazione del DEM interferometrico della lingua flottante del ghiacciaio David Drygalski nella Terra Vittoria Settentrionale in Antartide. Lo spostamento del ghiacciaio è stato determinato sia per via interferometrica che considerando gli offset della coregistrazione delle due scene. Particolare attenzione si è posta nel valutare l’importanza che assumono nel processing alcuni parametri, come ad esempio l’accuratezza delle orbite e delle timing annotations. La validazione dei risultati è avvenuta in ambiente GIS tramite confronto con vettori spostamento desunti da misure GPS (mappa di deformazione SAR) e punti laser altimetro ICEsat GLAS (DEM interferometrico e mappa di deformazione SAR).