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Il telerilevamento o remote-sensing è definibile come l’insieme di tecniche e strumenti per l’osservazione e la misura di oggetti sulla superficie della Terra a distanza. Strumenti che forniscono mezzi interpretativi che permettono di estendere e migliorare le capacità percettive dell’occhio umano, fornendo all’osservatore, informazioni qualitative e quantitative su oggetti posti a distanza e quindi sull’ambiente circostante.

Il termine fotografia deriva quindi dalla congiunzione di due parole greche: luce (φῶς, phṑs) e grafia (γραφή, graphḕ), per cui fotografia significa "scrittura di luce". La fotografia è opera della luce e nasce infatti da un principio fisico chiamato diffrazione, che è una sua proprietà caratteristica. La camera oscura e l'obiettivo stenopeico formano il sistema più semplice ed elementare della macchina fotografica che racchiude in sé tutti i principi fisici coinvolti in questa tecnologia. Naturalmente sono stati necessari i risultati ottenuti sia nel campo dell'ottica, sia in quello della chimica e lo studio delle sostanze fotosensibili.

1826 - La prima fotografia disegnata dalla luce

J. Nicéphore Niépce, nato a Chalon-sur-Saône, inizia ad interessarsi nel 1816 ai fenomeni della luce e della camera oscura. Sperimentando diverse tecniche, Niépce riesce a ottere, nel 1826, la sua prima immagine disegnata dalla luce utilizzando una lastra (di 16.5x20 cm) di rame ricoperta d’argento dopo aver steso su di essa un strato di bitume di Giudea ed essenza di lavanda, con un’esposizione di circa 8 ore.
L’immagine risultante, che definì “Eliografia”, è difficilmente decifrabile, poiché nelle otto ore di esposizione la luce del sole (con il movimento da est a ovest) ha tempo di illuminare entrambi i lati degli edifici.

Lous Danguerre, partendo dai risultati di Niépce, riuscì a perfezionare l’emulsione delle lastre fotografiche utilizzando lo iodio e mettendo a punto un metodo di fissaggio. Questo processo prese nome di “Daguerrotipo”.

View from the window (1826)
View from the windows at "Le Grass" di Nicéphore Niépce (1826 circa) a Saint Loup de Varennes. Fonte: Rebecca A. Moss, Director of Visual Resource and Digital Content Lab. College of Liberal Office of Information Tecnology, University of Minnesota.

 

 

Bulevard du Temple 1838
"Bulevard du Temple" ripresa da Daguerre 1838-1839 a Parigi. Fonte: The Photography Book, Phaidon Press 1997

 

La foto "Bulevard du Temple" di Daguerre rappresenta la prima fotografia a una persona. La foto rappresenta una strada affollata, ma  poiché il tempo di esposizione superò i 10 minuti, il traffico si muoveva troppo rapidamente per apparire. L’unica eccezione è l’uomo, visibile in basso a sinistra, che rimase fermo il tempo necessario per rimanere impresso nella foto.

1855 - Prima ripresa aerea da mongolfiera frenata

 

Una volta stabilita la tecnica per catturare immagini, per ottenere fotografie dall’alto occorreva un’opportuna piattaforma che in quei tempi furono mongolfiere e aquiloni.

Nel 1855 (o 1858), Gaspard Felix Tournachon (conosciuto come “Nadar”) riprese la prima fotografia aerea da un pallone aerostatico legato sopra la Valle di Bievre. Purtroppo le prime foto sono andate probabilmente perse, ma i sui sforzi sono stati preservati nella caricatura eseguita da Honoré Daunier per il numero del 25 Maggio 1862 di “Le Boulevard”.

Honoré Daumier DR 3248
Nadar elevant la photgraphie à la hauteur de l'Art. Honoré Daumier DR 3248 copyright www.daumier-register.org

 

"....primo fotografo a essere sollevato da un pallone, a me toccò un primato che, in condizioni analoghe, sarebbe potuto appartenere a chiunque altro.."
Felix Nadar

 

Il 13 ottobre 1860, James Wallance Black, accompagnato dal Professor Sam King, sale ad un’altitudine di circa 350 metri e fotografa una porzione della città di Boston. Il pallone pur essendo legato si muoveva continuamente e dato la lenta esposizione del materiale fotografico non fu facile ottenere immagini soddisfacenti. L’unica foto risultata ragionevolmente chiara è quella riportata sotto, che rappresenta la foto aerea conservata più antica.

Boston, W. Black (1860)
Wallance Black, 1860. Boston

 

Gli apparecchi fotografici erano grandi come un forno a microonde e avevano bisogno di pesanti treppiedi. Inoltre le lastre fotografiche dovevano essere preparate prima di ogni esposizione e quindi era necessaria un’attrezzatura da laboratorio chimico senza contare il peso delle lastre. Questi erano i limiti all’uso della fotografia per scopi pratici.

L’apparecchio costruito e venduto da Daguerre e dal cognato Alphonse Giroux ebbe grande successo commerciale. Costava 400 franchi e misurava cm 30 x 37 x 50. Nel 1847 nella sola Parigi ne furono venduti piu’ di duemila.

 

Apparecchio fotografico 1847
Apparecchio fotografico Daguerre-Giroux 1847. Deutsches Technikmuseum, Berlino

 

Studio fotografico 1845
Studio fotografico Talbot a Beadin in Inghilterra nel 1845. La foto mostra come si riproduceva un dipinto (a sinistra) e come si riprendeva un soggetto dal vero (a destra)

 

 1889 - Invenzione del rullino fotografico

George Eastman, nato nel 1870, a soli 24 anni, dopo aver acquistato un ingombrate attrezzatura fotografica, pensò a come poter semplificare il processo fotografico. Nel 1879, Eastman ottiene una formula per ottenere una lastra fotografica asciutta e costruisce una macchina per la produzione in serie. Questa scoperta porterà all’invenzione del rullino fotografico.

G.Eastman e la pellicola fotografica
George Eastman (a sinitra) alle prese con una pellicola fotografica, insieme a Thomas Edison. Oltre alla lampadina, al fonografo e al generatore elettrico, a Edison si deve anche lo sviluppo della pellicola fotografica, che fu perfezionata e posta in produzione da Eastman. Fonte: www.edwardsamuel.com by Edward Samuels

 

Nel 1889 nasce la Kodak e un anno dopo nasce anche un apparecchio fotografico che contiene una pellicola in celluloide capace di 100 scatti. Celebre lo slogan coniato da Eastman: YOU PRESS THE BUTTON WE DO THE REST

 

Kodak camera 540
Kodak camera serie 540, conservata presso lo Smithsonian National Museum of American History, Washingthon

 

Pubblicità della Kodak camera 550

 Evoluzione della fotografia aerea

 

Il miglioramento delle pellicole fotografiche e il conseguente miglioramento degli apparecchi fotografici sia nelle dimensioni sia nelle ottiche, fece sviluppare l’utilizzazione della fotografia ai fini militari, soprattutto con riprese dall’alto da varie piattaforme fino allo sviluppo definitivo dopo il primo volo dei fratelli Wright nel 1903 e il conseguente sviluppo del volo aereo. Parallelamente si sviluppava l’interesse per l’uso della fotografia per uso topografico con lo sviluppo di specifici apparecchi fotografici: i fototeodoliti.

 1903 - Riprese aeree da piccioni viaggiatori

Intorno al 1903 Julius Neubronner (1852-1932), un farmacista di Kronberg, vicino a Francoforte, iniziò lo sviluppo di un apparecchio fotografico di piccole dimensioni e sufficientemente leggero da essere applicato sul petto di un piccione. Nel 1909 la tecnologia di Neubronner diventò di pubblico dominio dopo la sua partecipazione alla Esposizione Internazionale di Fotografia di Dresda (Internationale Photographische Ausstellung). La macchina fotografica usata pesava meno di 75 g e misurava 8 x 4.5 cm ed era in grado di eseguire 8 foto.

Piccioni con macchina fotografica
Un piccione generalemente segue una rotta rettilinea ad un'altezza di circa 50-100 m e a una velocità non superiore ai 15 km/h. Un meccanismo pneumatico controllava il tempo di ritardo tra gli scatti. Crediting Deuthsches Museum, Munchen

 

 

Immagini riprese dai piccioni
In alto Schlosshotel Kronberg (da notare a sinistra un'ala del piccione). In basso e a destra Francoforte. Fonte: Hystory of Remote Sensing-Prof. Paul R. Baumann University of New York

 

 I fratelli Wright, dopo una serie di tentativi non riusciti, il 17 dicembre 1903, sulla spiaggia di Kitty Hawk, in Carolina del Nord, riuscirono a far decollare, tenendolo in aria per quei dodici secondi che avrebbero cambiato il Mondo, il loro aeroplano Flyer I.

 

Flyer I
United States Library of Congress's Prints and Photographs Division. ID cph.3a53266

 

I successi dei fratelli Wright aprirono nuove prospettive e miglioramenti durante la prima guerra mondiale. Comunque i piccioni continuarono ad essere usati per ottenere foto complementari a bassa quota con un maggior dettaglio.

1906 - Fotografie panoramiche da aquilone (KAP Kite Aereal Photography)

 

Nel 1906, George R. Lawrence riprese una foto aerea obliqua della baia di San Francisco dopo il violento terremoto e successivi incendi, nota con il titolo “San Francisco in Ruins”. Utilizzando tra i nove e diciassette grossi aquiloni per sollevare un grande e pesante apparecchio fotografico (circa 25 Kg) (a), riuscì ad ottenere una del più grandi fotografie (48 x 122 cm) aerea mai ottenuta. La macchina utilizzata era progettata per avere il piano di esposizione posteriore curvo e un obiettivo frontale decentrato, in modo da ottenere delle foto panoramiche. La foto fu ripresa da circa 600 m di altezza.

 

KAP

 

 

900' - Evoluzione della fotografia aerea tra le sue guerre mondiali e il dopoguerra

 

All’inizio della prima guerra mondiale gli osservatori aerei, volavano su aerei a due posti e facevano ricognizione disegnando mappe e comunicando verbalmente la situazione a terra e spesso si fornivano notizie errate o esagerate. In seguito, qualcuno portò a bordo una macchina fotografica accorgendosi della praticità del sistema.

 

foto prima guerra mondiale
a) Foto d'epoca che mostra un ricognitore americano Curtiss attrezzato con una fotocamera montata all'esterno della fusoliera, di fianco all'osservatore; b) sviluppo delle trincee osservate da 600 m il 31 luglio 1916

 

Le fotografie erano spesso distorte poiché la velocità dell’otturatore era troppo lenta rispetto alla velocità dell’aereo. Verso la fine della guerra Sherman M. Fairchild sviluppò un apparecchio fotografico con l’otturatore all’interno delle lenti, La macchina di Fairchild rimase la migliore per i successivi 50 anni.

 

 

Flying camera
When cameras learned to fly. AirSpaceMag.com

 

1921 - Farchild utilizzando circa 100 foto, fece una mappa aerea dell'isola di Manhattan.

Manhattan 1921

1926 - Goddar usò i razzi per eseguire riprese ad alta quota; i suoi studi furono alla base per lo sviluppo della tecnologia aerospaziale.
1930 - negli Stati Uniti si sperimenta l’uso delle foto aeree per il monitoraggio del suolo a fini agricoli e geo-pedologici.
1934 - a Washington DC, viene fondata la rivista Photogrammetric Engineering and Remote Sensing.
1935 -la Kodak inizia la produzione della pellicola a colori Kodachrome.

Nel 1943, Von Braun produce il V-2, il primo missile balistico. Il servizio segreto inglese riuscì ad ottenere una foto aerea di una rampa di lancio, con la quale fu possibile eseguire un bombardamento mirato. Una seconda foto fu eseguita per verificarne gli effetti.

Von Braun V2

 

Evoluzione della fotogrammetria

 

La fotogrammetria è una tecnica di rilievo che permette di acquisire dei dati metrici di un oggetto (forma e posizione) tramite l’acquisizione e l’analisi di immagini fotografiche a prospettiva centrale.
La fotografia è assimilabile ad una proiezione centrale: ovvero tutti i raggi provenienti dal mondo esterno vengono convogliati attraverso le lenti dell’obbiettivo in un punto, e proiettati su uno schermo che li intercetta, (pellicola): pertanto si può affermare che la fotografia è, con buona approssimazione, una vista prospettica della realtà.

Le origini: fototeodoliti e fotogoniometri

 

Aimé Laussedat, fra il 1851 e il 1859, lavorò per la preparazione di una camera metrica con focale 50 mm e campo di soli 30° (a). In Italia, Ignazio Porro, nel 1859, produsse una camera panoramica (b), del tutto innovativa. Dello stesso periodo è l’apparato panoramico del francese Chevalier (c). Nel 1892 Meydenbauer fece costruire una camera metrica (e) che oltre, al canocchiale, alla livella e alla bussola era provvista di cerchio goniometrico e un obiettivo con angolo di campo di ben 105°. L’

fototeodoliti
Fonte: Robert Burtch - Center for Photogrammetry Training - Ferris State University - Mitchigan USA

 

L’evoluzione portò alla creazione, nel 1906, al fototeodolito di Carl Pulfrich costruito da Carl Zeiss (e).

Pulfrich Zeiss

 

 

Laussedat riuscì con la sua camera metrica, a ottenere la determinazione di un punto per intersezione di sue semirette partenti dagli estremi di un segmento noto, detto base. Tale risultato, lo ottenne con procedimento grafico-analitico utilizzando una coppia di fotografie, per ricostruire in laboratorio la situazione di presa.

determinazione di un punto per intersezione
© Liguori Editore 1999 Da: Giorgio Bezoari e Attilio Selvini, Gli Strumenti per la fotogrammetria. ISBN 978-88-207-2640-9

 

 Fotogrammetria analogica

 

 Fine 800 inizio 900 fu un periodo d’oro per la fotogrammetria, infatti si introdusse la stereoscopia ed il principio della marca mobile o fluttuante, quest’ultima introdotta dal tedesco F. Stolze nel 1892. Il primo strumento di restituzione compatto fu costruito nel 1901 a Jena, nelle officine Carl Zeiss, da Karl Pulfrich. Lo stereocomparatore che in seguito sarà definito analitico, in quanto la ricostruzione dei fasci proiettivi che hanno generato l’immagine avviene tramite calcoli basati sugli scostamenti subiti dai punti omologhi rispetto ad un sistema fisso registrato sui bordi delle foto: le marche fiduciarie.

Stereo comparatore
Stereocoparatore Karl Pulfrich, Zeiss Jena 1901

 

Le officine Zeiss furono una vera palestra per i molti scienziati dell’epoca tra cui spiccavano il già citato Karl Pulfrich ed Edoardo Ritter von Orel, ufficiale dell’esercito austriaco, nato a Trieste, al quale si deve la prima effettiva soluzione pratica del problema del passaggio automatico, dopo poche operazioni manuali di orientamento, da una coppia stereoscopica di fotogrammi alla planimetria dell’oggetto in essi rappresentato, non per punti, come in tutti i tentativi precedenti, bensì per linee, cioè con continuità. Ciò in conseguenza diretta della collimazione stereoscopica del modello ottico dell’oggetto. Inoltre, lo Stereoautografo o Stereoautocartografo costruito da von Orel nel 1908, poteva ricavare per intersezione anche la quota corrispondente di ogni punto significativo collimato.

 

Stereoautografo
Stereoautografo Von Orel 1908. Röll, Freiherr von: Enzyklopädie des Eisenbahnwesens, Band 9. Berlin, Wien 1921, S. 182-185. http://www.zeno.org/nid/20011427280

 

Era iniziata l'era degli strumenti analogici

 

Theodor Scheimpflug, capitano dell’armata austriaca, fece nel 1898 il primo tentativo di restituzione di prese aeree o comunque aventi assetto qualsiasi, col sistema della doppia proiezione ottica, che verrà in seguito utilizzato dal nostro Umberto Nistri. A Scheimpflug si deve anche il concetto base del raddrizzamento, cioè del passaggio fotogramma-proiezione ortogonale per via fotografica, e della triangolazione aerea radiale. Scheimpflug viene considerato il padre della fotogrammetria aerea.

Dopo aver lasciato l’esercito nel 1901, Scheimpflug usò gli aquiloni come punto di partenza per i suoi esperimenti. Fu solo nel 1907 che intraprese tre spedizioni in mongolfiera per testare il suo metodo di mappatura. Il risultato di queste esecuzioni di prova furono viste panoramiche a forma di stella che fornivano un impressione realistica. La forma tipica delle fotografie aeree di Scheimpflug era una conseguenza della sua attrezzatura autocostruita composta da sette telecamere separate disposte ad anello attorno a una telecamera al centro Le fotografie delle otto fotocamere venivano sovrapposte e combinate solo dopo lo scatto. Mentre la telecamera centrale puntava verticalmente verso il basso, le telecamere esterne riprendevano fotografie oblique "in tutte le direzioni verso l'orizzonte", che aumentavano "l'angolo di visione a tal punto da coprire un'area circolare, il cui diametro è circa cinque volte l'altezza della telecamera dal suolo, ovvero circa 5 km2 da un'altezza di 500 m. Nella figura una foto panoramica del area a nord di Vienna che corrisponde ad angolo di vista di 140°.

 

 

Theodor Scheimpflug

 

La fotografia aerea nei conflitti mondiali

La prima guerra mondiale diete un forte impulso alla fotogrammetria aerea, infatti le prime macchine per le prese panoramiche, si devono all’austriaco O. Masster realizzate nel 1915. Durante il conflitto furono eseguite, con tali strumenti, riprese su tutti i fronti per circa 7 milioni di chilometri quadrati.

I risultati del conflitto portarono a determinare le tre funzioni dell'aerofotografia:

  • >L'interpretazione, cioè la natura e l'importanza dell'attività e i vari element dell'organizzazione del nemico visibili dalla fotografia
  • L'analisi, cioè la trascrizione su mappa di tutti gli elementi conoscitivi utili relativi al nemico
  • L'utilizzo delle informazioni, cioè la consegna degli elementi ottenuti dalle prime funzioni agli Stati Maggiori per valutare le intenzioni del nemico.

Tutte queste misurazioni e interpretazioni di fotografie continuarono anche dopo il conflitto e furono sempre più spesso applicati ad altri ambiti civili quali la forestazione e l’agricoltura.

Durante la seconda la RAF britannica, guidata nella ricerca nel campo del telerilevamento da Sidney Cotton e l’ufficiale di volo Maurice Paciock, ha realizzato il primo aereo da ricognizione leggero per alta quota. Per lo scopo è stato utilizzato lo Spitfire PR munito solo di macchina fotografica e molto carburante e con un nuovo sistema di anti-congelamento elettrico per poter viaggiare ad alte quote ed avere una maggiore e più sicura visione dall’alto.

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 Si utilizzò per la prima volta la fotografia aerea proprio per preparare lo sbarco in Normandia (D-Day) per creare mappe delle condizioni del mare lungo la costa ed identificare i luoghi più idonei allo sbarco. Con lo studio delle onde vicino la costa fu possibile calcolare la profondità dell’acqua. Si utilizzarono anche per la prima volta sensori ad infrarossi per identificare la vegetazione fogliare e distinguerla da eventuali reti mimetiche per individuare postazioni nascoste.

Off Omaha Beach American Liberty ships Corn Cobs were scuttled to provide a makeshift breakwater during the early days of the invasion 1024x821

 

Data la grandissima quantità di foto scattate dagli alleati durante la seconda guerra mondiale portò alla necessità di creare dei centri di intelligence che effettuavano Image Analysis per studiare il territorio e strategie efficaci da applicare in battaglia con l’uso delle informazioni estratte. Si stima che la quantità di foto scattate durante la seconda guerra mondiale dal centro di intelligence inglese CUI (Central Interpretation Unit) divenuto poi ACIU (Allied Central Interpretation Unit) sia pari a 36 milioni di stampe ed aveva un personale composto da 1700 interpreti fotografici, che al termine della guerra hanno avuto un grande successo ad Hollywood e nel mondo della cinematografia.

Il telerilevamento satellitare

Gli anni 60 videro lo sviluppo di pellicole sensibili alle lunghezze d’onda, utilizzate per mappare aspetti come le diverse tipologie di vegetazione.

Di pari passo continuò anche lo sviluppo di altre tecnologie di telerilevamento. Furono condotti esperimenti di creazione di mappe tramite sistemi radar a bordo di aerei. TIROS 1, il primo satellite meteorologico, fu lanciato in orbita nel 1960. Forniva all’Ufficio meteo statunitense (US Weather Bureau) immagini giornaliere delle formazioni di nubi ed ha rappresentato una pietra miliare nella storia delle previsioni meteorologiche.

 TIROS 1 Earth

 

Lo sviluppo della tecnologia di telerilevamento non fotografica progredì rapidamente dopo che il primo satellite cartografico LANDSAT 1 fu messo in orbita nel 1972; era dotato di un nuovo tipo di sensore, uno scanner multispettrale (MSS). Con questa nuova tecnologia, i dati erano prodotti in forma di matrici corologiche digitali che consentivano miglioramenti sostanziali nell’elaborazione delle immagini.