Strategie di elaborazione di tracciati GPS per reti veicolari

Il proliferare di dispositivi di elaborazione e comunicazione mobili (telefoni cellulari, computer portatili, PDA, wearable devices, personal digital assistant) sta guidando un cambiamento rivoluzionario nella nostra società dell'informazione. Si sta migrando dall'era dei Personal Computer all'era dell'Ubiquitous Computing, in cui un utente utilizza, parallelamente, svariati dispositivi elettronici attraverso cui può accedere a tutte le informazioni, ovunque e quantunque queste gli si rivelino necessarie. In questo scenario, anche le mappe digitali stanno diventando sempre più parte delle nostre attività quotidiane; esse trasmettono informazioni vitali per una pletora di applicazioni che acquistano maggior valore grazie alla localizzazione, come Yelp, Flickr, Facebook, Google Maps o semplicemente le ricerche web geo-localizzate. Gli utenti di PDA e Smartphone dipendono sempre più dai GPS e dai Location Based Services (LBS) per la navigazione, sia automobilistica che a piedi. Gli stessi servizi di mappe stanno inoltre evolvendo la loro natura da uni-direzionale a bi-direzionale; la topologia stradale è arricchita da informazioni dinamiche, come traffico in tempo reale e contenuti creati dagli utenti. Le mappe digitali aggiornabili dinamicamente sono sul punto di diventare un saldo trampolino di lancio per i sistemi mobili ad alta dinamicità ed interattività, che poggiando su poche informazioni fornite dagli utenti, porteranno una moltitudine di applicazioni innovative ad un'enorme base di consumatori. I futuri sistemi di navigazione per esempio, potranno utilizzare informazioni estese su semafori, presenza di stop ed informazioni sul traffico per effettuare una ottimizzazione del percorso che valuti simultaneamente fattori come l'impronta al carbonio rilasciata, il tempo di viaggio effettivamente necessario e l'impatto della scelta sul traffico locale. In questo progetto si mostra come i dati GPS raccolti da dispositivi fissi e mobili possano essere usati per estendere le mappe digitali con la locazione dei segnali di stop, dei semafori e delle relative temporizzazioni. Queste informazioni sono infatti oggi rare e locali ad ogni singola municipalità, il che ne rende praticamente impossibile il pieno reperimento. Si presenta quindi un algoritmo che estrae utili informazioni topologiche da agglomerati di tracciati gps, mostrando inoltre che anche un esiguo numero di veicoli equipaggiati con la strumentazione necessaria sono sufficienti per abilitare l'estensione delle mappe digitali con nuovi attributi. Infine, si mostrerà come l'algoritmo sia in grado di lavorare anche con dati mancanti, ottenendo ottimi risultati e mostrandosi flessibile ed adatto all'integrazione in sistemi reali.

Analisi di immagini termiche aeree e satellitari per indagini multiscala in ambito urbano

L’alta risoluzione nel telerilevamento termico (Thermal Remote Sensing) da aereo o satellitare si rivela molto importante nell’analisi del comportamento termico delle superfici, in particolare per lo studio dei fenomeni climatici locali dello spazio urbano. La stato termico dell'ambiente urbano è oggi motivo di grande interesse per ricercatori, organi istituzionali e cittadini. Uno dei maggiori campi di studio del comportamento termico urbano interessa il problema energetico: la riduzione dei consumi e delle emissioni di CO2 è un obiettivo primario da perseguire per uno sviluppo sostenibile, spesso supportato da criteri legislativi e progetti comunitari. Su scala differente e con caratteristiche differenti, un altro degli argomenti che scuote da anni e con notevole interesse la ricerca scientifica, è il fenomeno termico urbano che prende il nome di isola di calore; questa si sviluppa non solo in conseguenza al calore sensibile rilasciato da attività antropiche, ma anche a causa della sempre maggiore conversione del territorio rurale in urbanizzato (inurbamento), con conseguente riduzione del fenomeno dell’evapotraspirazione. Oggetto di questa dissertazione è lo studio del comportamento termico delle superfici in ambito urbano, sperimentato sulla città di Bologna. Il primo capitolo si interessa dei principi e delle leggi fisiche sui quali è basato il telerilevamento effettuato nelle bende spettrali dell’infrarosso termico. Viene data una definizione di temperatura radiometrica e cinematica, tra loro legate dall’emissività. Vengono esposti i concetti di risoluzione (geometrica, radiometrica, temporale e spettrale) dell’immagine termica e viene data descrizione dei principali sensori su piattaforma spaziale per l’alta risoluzione nel TIR (ASTER e Landsat). Il secondo capitolo si apre con la definizione di LST (Land Surface Temperature), parametro del terreno misurato col telerilevamento, e ne viene descritta la dipendenza dal flusso della radiazione in atmosfera e dalle condizioni di bilancio termico della superficie investigata. Per la sua determinazione vengono proposti metodi diversi in funzione del numero di osservazioni disponibili nelle diverse bande spettrali dell’IR termico. In chiusura sono discussi i parametri che ne caratterizzano la variabilità. Il capitolo terzo entra nel dettaglio del telerilevamento termico in ambito urbano, definendo il fenomeno dell’Urban Heat Island su tutti i livelli atmosferici interessati, fornendo un quadro di operabilità con gli strumenti moderni di rilievo alle differenti scale (analisi multiscala). Un esempio concreto di studio multiscala dei fenomeni termici urbani è il progetto europeo EnergyCity, volto a ridurre i consumi energetici e le emissioni di gas serra di alcune città del centro Europa. Il capitolo quarto riporta la sperimentazione condotta sull’isola di calore urbana della città di Bologna tramite immagini ASTER con risoluzione spaziale 90 m nel TIR e ricampionate a 15 m dal VIS. Lo studio dell’isola di calore si è effettuata a partire dal calcolo della Land Surface Temperature utilizzando valori di emissività derivati da classificazione delle superfici al suolo. Per la validazione dei dati, in alternativa alle stazioni di monitoraggio fisse dell’ARPA, presenti nell’area metropolitana della città, si è sperimentato l’utilizzo di data-loggers per il rilievo di temperatura con possibilità di campionamento a 2 sec. installati su veicoli mobili, strumentati con ricevitori GPS, per la misura dei profili di temperatura atmosferica near-ground lungo transetti di attraversamento della città in direzione est-ovest.

Sistemi navigazionali multi sensore per il posizionamento in presenza di brevi periodi di GPS outage

Il posizionamento terrestre negli ultimi anni è stato sempre più facilitato dallo sviluppo delle tecniche satellitari, che permettono di localizzare un punto sulla superficie terrestre con precisioni superiori a quelle richieste per la pura navigazione, tramite la comunicazione tra ricevitore e satelliti. Per la disponibilità del sistema satellitare è indispensabile l’intervisibilità ottica satellite - ricevitore, condizione che viene a mancare nel caso ad esempio di trekking sottobosco, a causa della copertura data da manto vegetale e chiome arboree che non permettono una corretta triangolazione geometrica satellitare. Rientrano nei sistemi navigazionali anche le piattaforme inerziali, sistemi che rilevano le accelerazioni impresse e l’orientamento della piattaforma stessa. Se montati su un veicolo possono fungere da ausilio alla determinazione dell’ “attitude”, cioè dell’atteggiamento del veicolo durante il suo movimento in uno spazio tridimensionale. In questo lavoro ci si propone di unire i benefici delle due tecnologie, satellitari e inerziali, grazie alla complementarietà delle loro caratteristiche sugli errori, unendone le potenzialità e verificando i benefici prodotti dal loro uso integrato. In particolare si utilizzeranno dispositivi di costo relativamente contenuto.

A novel map-matching procedure for low-sampling GPS data with applications to traffic flow analysis

An extensive sample (2%) of private vehicles in Italy are equipped with a GPS device that periodically measures their position and dynamical state for insurance purposes. Having access to this type of data allows to develop theoretical and practical applications of great interest: the real-time reconstruction of traffic state in a certain region, the development of accurate models of vehicle dynamics, the study of the cognitive dynamics of drivers. In order for these applications to be possible, we first need to develop the ability to reconstruct the paths taken by vehicles on the road network from the raw GPS data. In fact, these data are affected by positioning errors and they are often very distanced from each other (~2 Km). For these reasons, the task of path identification is not straightforward. This thesis describes the approach we followed to reliably identify vehicle paths from this kind of low-sampling data. The problem of matching data with roads is solved with a bayesian approach of maximum likelihood. While the identification of the path taken between two consecutive GPS measures is performed with a specifically developed optimal routing algorithm, based on A* algorithm. The procedure was applied on an off-line urban data sample and proved to be robust and accurate. Future developments will extend the procedure to real-time execution and nation-wide coverage.

Kinematics of the Sicily and Calabria Subduction System from Elastic Block Modeling of GPS Data

We use data from about 700 GPS stations in the EuroMediterranen region to investigate the present-day behavior of the the Calabrian subduction zone within the Mediterranean-scale plates kinematics and to perform local scale studies about the strain accumulation on active structures. We focus attenction on the Messina Straits and Crati Valley faults where GPS data show extentional velocity gradients of ∼3 mm/yr and ∼2 mm/yr, respectively. We use dislocation model and a non-linear constrained optimization algorithm to invert for fault geometric parameters and slip-rates and evaluate the associated uncertainties adopting a bootstrap approach. Our analysis suggest the presence of two partially locked normal faults. To investigate the impact of elastic strain contributes from other nearby active faults onto the observed velocity gradient we use a block modeling approach. Our models show that the inferred slip-rates on the two analyzed structures are strongly impacted by the assumed locking width of the Calabrian subduction thrust. In order to frame the observed local deformation features within the present- day central Mediterranean kinematics we realyze a statistical analysis testing the indipendent motion (w.r.t. the African and Eurasias plates) of the Adriatic, Cal- abrian and Sicilian blocks. Our preferred model confirms a microplate like behaviour for all the investigated blocks. Within these kinematic boundary conditions we fur- ther investigate the Calabrian Slab interface geometry using a combined approach of block modeling and χ2ν statistic. Almost no information is obtained using only the horizontal GPS velocities that prove to be a not sufficient dataset for a multi-parametric inversion approach. Trying to stronger constrain the slab geometry we estimate the predicted vertical velocities performing suites of forward models of elastic dislocations varying the fault locking depth. Comparison with the observed field suggest a maximum resolved locking depth of 25 km.

Campi finiti e segnale GPS

Lo scopo della tesi è quello di studiare una delle applicazioni della teoria dei campi finiti: il segnale GPS. A questo scopo si descrivono i registri a scorrimento a retroazione lineare (linear feedback shift register, LFSR), dispositivi utili in applicazioni che richiedono la generazione molto rapida di numeri pseudo-casuali. I ricevitori GPS sfruttano il determinismo di questi dispositivi per identificare il satellite da cui proviene il segnale e per sincronizzarsi con esso. Si inizia con una breve introduzione al funzionamento del GPS, poi si studiano i campi finiti: sottocampi, estensioni di campo, gruppo moltiplicativo e costruzione attraverso la riduzione modulo un polinomio irriducibile, fattorizzazione di polinomi, formula per il numero e metodi per la determinazione di polinomi irriducibili, radici di polinomi irriducibili, coniugati, teoria di Galois (automorfismo ed orbite di Frobenius, gruppo e corrispondenza di Galois), traccia, polinomio caratteristico, formula per il numero e metodi per la determinazione di polinomi primitivi. Successivamente si introducono e si esaminano sequenze ricorrenti lineari, loro periodicità, la sequenza risposta impulsiva, il polinomio caratteristico associato ad una sequenza e la sequenza di periodo massimo. Infine, si studiano i registri a scorrimento che generano uno dei segnali GPS. In particolare si esamina la correlazione tra due sequenze. Si mostra che ogni polinomio di grado n-1 a coefficienti nel campo di Galois di ordine 2 può essere rappresentato univocamente in n bit; la somma tra polinomi può essere eseguita come XOR bit-a-bit; la moltiplicazione per piccoli coefficienti richiede al massimo uno shift ed uno XOR. Si conclude con la dimostrazione di un importante risultato: è possibile inizializzare un registro in modo tale da fargli generare una sequenza di periodo massimo poco correlata con ogni traslazione di se stessa.

Simulazione di front-end GPS per la verifica di algoritmi di navigazione per satelliti LEO

Descrizione di un software di simulazione, realizzato attraverso la programmazione in Labview, che estrapola i dati immagazzinati nei file RINEX di navigazione e di osservazione della missione GRACE e li invia con le stesse modalità con cui lo farebbe il ricevitore OEM615 della NovAtel. L'obiettivo è creare un software che permetta di testare, nell'ambito della missione ESEO dell'ESA, il ricevitore GPS che farà parte del payoload della stessa missione, costituita da un micro-satellite che orbiterà in orbita bassa LEO, e che sarà composto da un ricevitore OEM615, da un'antenna GPS e da un processore di navigazione.

Studio dei movimenti verticali del suolo in Europa occidentale da dati gps

La tecnica di posizionamento GPS costituisce oggi un importante strumento per lo studio di diversi processi tettonici e geodinamici a diverse scale spaziali. E’ possibile infatti usare dati GPS per studiare sia i movimenti delle placche tettoniche a scala globale, sia i lenti movimenti relativi attraverso singole faglie. I campi di applicazione del GPS sono aumentati considerevolmente negli ultimi anni grazie all’incremento del numero di stazioni distribuite sulla Terra e al perfezionamento delle procedure di misura ed elaborazione dati. Tuttavia mentre le velocità di spostamento orizzontali sono da tempo largamente studiate, quelle verticali non lo sono altrettanto perché richiedono il raggiungimento di precisioni sub millimetriche e risultano inoltre affette da numerose fonti di errore. Lo scopo di questo lavoro è quello di ricavare i tassi di deformazione verticale della litosfera in Europa Occidentale a partire dalle misure di fase GPS, passando per l’analisi delle serie temporali, e di correggere tali velocità per il contributo dell’aggiustamento glacio-isostatico (Glacial Isostatic Adjustment, GIA), modellato utilizzando il software SELEN (SEa Level EquatioN solver). Quello che si ottiene è un campo di velocità depurato dal contributo del GIA e rappresentante una stima dei tassi di deformazione verticale relativi all’area in esame associati a processi deformativi diversi dal GIA.

Kinematic models of interseismic deformation from inversion of GPS and InSAR measurements to estimate fault parameters and coupling degree

We have used kinematic models in two Italian regions to reproduce surface interseismic velocities obtained from InSAR and GPS measurements. We have considered a Block modeling, BM, approach to evaluate which fault system is actively accommodating the occurring deformation in both considered areas. We have performed a study for the Umbria-Marche Apennines, obtaining that the tectonic extension observed by GPS measurements is explained by the active contribution of at least two fault systems, one of which is the Alto Tiberina fault, ATF. We have estimated also the interseismic coupling distribution for the ATF using a 3D surface and the result shows an interesting correlation between the microseismicity and the uncoupled fault portions. The second area analyzed concerns the Gargano promontory for which we have used jointly the available InSAR and GPS velocities. Firstly we have attached the two datasets to the same terrestrial reference frame and then using a simple dislocation approach, we have estimated the best fault parameters reproducing the available data, providing a solution corresponding to the Mattinata fault. Subsequently we have considered within a BM analysis both GPS and InSAR datasets in order to evaluate if the Mattinata fault may accommodate the deformation occurring in the central Adriatic due to the relative motion between the North-Adriatic and South-Adriatic plates. We obtain that the deformation occurring in that region should be accommodated by more that one fault system, that is however difficult to detect since the poor coverage of geodetic measurement offshore of the Gargano promontory. Finally we have performed also the estimate of the interseismic coupling distribution for the Mattinata fault, obtaining a shallow coupling pattern. Both of coupling distributions found using the BM approach have been tested by means of resolution checkerboard tests and they demonstrate that the coupling patterns depend on the geodetic data positions.

Analisi e stima dell'errore ionosferico di un segnale GPS a singola e doppia frequenza

Analisi e stima dell'errore ionosferico per gli utenti che dispongono sia di un ricevitore a singola che a doppia frequenza e confronto conclusivo fra i due tipi di dati ricavati. Le stime sono state implementate in ambiente Matlab.

Confronto tra stime GPS e SAR di deformazioni del suolo e di ritardi troposferici

Il Global Positioning System (GPS) e l’Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) sono due tecniche osservative di grande importanza che utilizzano segnali nel campo delle microonde. Questa tesi intende contribuire a sviluppare una base di confronto tra i risultati derivati da queste due tecniche osservative. Una parte del lavoro riguarda uno studio delle deformazioni del suolo, in particolare, la stima dei movimenti verticali e di quelli che riguardano la componente Est della posizione delle stazioni. Un secondo ambito di ricerca è invece focalizzato alla determinazione del ritardo introdotto, nella propagazione dei segnali GPS e SAR, dal loro passaggio in atmosfera. In particolare, si è studiato l’effetto della componente umida della troposfera.