Presentazione di PowerPoint

Telerilevamento
2009-2010
Paolo Trivero
Università del Piemonte Orientale “A. Avogadro” - Alessandria
[email protected]
Introduzione
- Breve storia del telerilevamento
Il telerilevamento (remote sensing) ha inizio
nel 1840 quando le mongolfiere acquisirono
le prime immagini del territorio con la
macchina fotografica appena inventata.
Probabilmente alla fine del secolo la
“piattaforma” più nuova era la flotta di
piccioni che operava come novità in Europa.
Space
Shuttle
Aerei
Satelliti
meteorologici
1858
1900
1950
1970
United States
ERS-1 e 2
1990
2010
Stazione
spaziale
Sputnik
Landsat-1
Palloni
Programma
spaziale
Landsat-4
Satelliti
commerciali
Introduzione
Evoluzione storica
La fotografia aerea diventò uno
strumento riconosciuto durante la
Prima Guerra Mondiale e lo fu a
pieno durante la Seconda.
L'entrata ufficiale dei sensori nello
spazio cominciò con l'inclusione di
una
macchina
fotografica
automatica a bordo dei missili
tedeschi V-2.
L'avvento dello Sputnik nel 1957
rese possibile il montaggio di
macchine da ripresa su navicelle in
orbita.
I sensori che acquisivano immagini
in Bianco e Nero sulla Terra vennero
montati su satelliti meteorologici a
partire dal 1960.
Altri sensori sugli stessi satelliti
potevano poi eseguire sondaggi o
misure atmosferiche.
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1837 - Prima fotografia in b/n: Daguerre
1858 - Prima fotografia aerea: G.F. Tournachon
1904 - Prima mappa topografica a partire
da fotografia aerea: Fourcade
1909 - Wilbur Wright utilizza la prima camera
aerofotografica
1935 - Kodak introduce la pellicola a colori
1941 - Si comincia ad impiegare film in IR (b/n)
Introduzione
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1943 - Invenzione del radar
1944 - Si comincia a utilizzare film in IRC
1955 - Sviluppo della ortofoto
1957 - Invio del primo satellite nello spazio (Sputnik)
1959 - Invenzione delle analisi multispettrali (U. of Michigan)
1966 - Prime foto dallo spazio (Apollo 9)
1967 - Invenzione del radar ad apertura sintetica (U. of Michigan)
Un sistema radar per l'acquisizione di immagini SAR (Synthetic Aperture Radar) è stato il
primo sensore a bordo di Seasat.
Il primo sistema SAR non-militare fu installato dal JPL a bordo dello Space Shuttle nel 1981
nella missione SIR-A (Shuttle Imaging Radar).
Altre nazioni realizzarono poi altri sensori simili o con distinte capacità.
Il telerilevamento raggiunse una successiva maturità, con sistemi operativi per l'acquisizione
di immagini sulla Terra con una certa periodicità, nel 1970 con strumenti a bordo dello Skylab
(e più tardi dello Space Shuttle) e su Landsat, il primo satellite espressamente dedicato al
monitoraggio di terre e oceani allo scopo di ottenere le mappe di risorse naturali e delle
colture.
Introduzione
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1972 -- Lancio del primo Landsat
1982 -- Landsat- 4 (TM)
1986 -- Lancio di SPOT (primo satellite comerciale)
1991 -- Lancio del primo satellite europeo dell’ESA (ERS-1)
1999 -- Landsat-7, Terra e Ikonos
2000 -- Satellite argentino SAC-C
2001 – Satellite Quickbird
2003 -- Satellite europeo dell’ESA (Envisat)
2007-10 Cosmo-SkyMed
2008 – Satellite GeoEye
In figura una delle prime immagini Landsat che scaturì il
forte interesse nell'utilizzo dei satelliti per il monitoraggio
della Terra. Raffigura il centro Nord dello Utah ripreso 15
giorni dopo il lancio (7/8/72).
L'area rossa (colore tipico di foreste fitte e terreni erbosi in
una composizione in falsi colori in cui al rosso viene
associata la vegetazione sana che riflette molto nel vicino
infrarosso) sulla destra coincide con le alte montagne del
Wasatch che si ergono ad Est dei deserti (nei toni di grigio)
dello Utah occidentale.
Il Grande Lago Salato occupa parte della scena in alto.
A partire dal 1980 il Landsat è stato privatizzato ed in
diverse nazioni, tra cui Francia, Stati Uniti, Russia e
Giappone, ha avuto inizio un utilizzo più vasto e
commerciale del telerilevamento. (Negli anni '80 una varietà
di sensori specializzati, CZCS, HCMM, e AVHRR tra questi,
vennero messi in orbita per progetti di ricerca o di
fattibilità).
Introduzione
I principali satelliti messi in orbita da diverse nazioni insieme alle date in cui il
primo (e alcune volte l'unico) venne lanciato:
- Osservazione della terra: Landsat (1-6) (1973); Seasat (1978); HCMM (1978);
SPOT (Francia) (1-3) (1986); RESURS (Russia) (1985); IRS (1A-1D) (India) (1986);
ERS (1-2) (1991); JERS (1-2) (Giappone) (1992); Radarsat (Canada) (1995);
ADEOS (Giappone) (1996), Envisat (2003), RADARSAT (2006), TERRASAR
(2007), COSMO-Sky.Med (2007-10), ALOS (2007)
(Nota: SIR-A (1981), SIR-B (1984), SIR-C (1994), SRTM (2000) con sistemi radar a
bordo dello Space Shuttle).
- Osservazione Meteo: TIROS (1-9) (1960); Nimbus (1-7) (1964); ESSA (1-9)
(1966); ATS (g) (1-3) (1966); DMSP serie I (1966); la serie Russa Kosmos (1968)
e Meteor (1969); serie ITOS (1970); SMS (g) (1975); serie GOES (g) (1975);
NOAA (1-5) (1976); serie DMSP 2 (1976); serie GMS (Giappone) 9 (1977); serie
Meteosat (g) (Europa) (1978); serie TIROS-N (1978); Bhaskura (India) (1979);
NOAA (6-14) (1982); Insat (1983); ERBS (1984); MOS (Giappone) (1987); UARS
(1991); TRMM (U.S./Giappone) (1997). (Nota: g = geostazionario)
- Oceanografia: Seasat (1978); Nimbus 7 (1978) incluso il CZCS (Coastal Zone
Color Scanner) che misura la concentrazione di clorofilla in acque marine;
Topex-Poseidon (1992); SeaWiFS (1997)
Introduzione
Missioni spaziali attuali
• USA: Landsat, GOES, Space shuttle, Ikonos, Quickbird,
GeoEye.
• ESA: ERS 2, Meteosat, Envisat.
• Francia: Spot-3 e 4.
• India: IRS-C, Insat.
• Canada: Radarsat.
• Russia: Spin-2, Resurs.
• Giappone: Adeos, GMS.
Principi fondamentali
- Cos'è il telerilevamento
Definizione formale e completa del telerilevamento
L'acquisizione e la misura di dati/informazioni relativi a proprietà
di un fenomeno, oggetto, o materia attraverso uno strumento di
registrazione non in stretto contatto fisico con l'oggetto di
analisi; la tecnica comprende la maturazione di conoscenze sui
diversi ambienti attraverso la misura di campi di forza, di
radiazione elettromagnetica, o di energia acustica, utilizzando
macchine fotografiche, sistemi laser, ricevitori a radio frequenza,
sistemi
radar,
sonar,
dispositivi
termici,
sismografi,
magnetometri, gravimetri, scintillatori e altri strumenti.
Principi fondamentali
- Telerilevamento con base a terra
SODAR: Profilo verticale del vento
Phased
array
SODAR
Profilo di temperatura del 31/01/02 alle ore 8:00
600
RASS: Profilo verticale della temperatura
550
500
450
400
Quota (m)
350
300
250
200
150
100
50
0
9
10
11
12
Tem peratura (°C)
13
14
15
Principi fondamentali
- Telerilevamento da satellite
Principi fondamentali
Principi fondamentali
Il Telerilevamento satellitare è diventato uno strumento scientifico e
tecnologico fondamentale, utilizzato per monitorare le superfici del
pianeta e l’atmosfera.
Le spese sostenute per l'osservazione della Terra e di altri pianeti dai
primi programmi spaziali hanno superato i 200 miliardi di dollari. La
maggior parte di questo denaro è stato utilizzato per la gestione delle
risorse naturali e ambientali.
I grandi progressi nell'elaborazione di immagini al computer, e la capacità
dei personal computers di elaborare e gestire grosse quantità di dati,
hanno reso possibile l'accesso di queste osservazioni satellitari alle
università, agenzie gestionali, piccole compagnie di carattere ambientale,
e anche privati.
Lo sviluppo concorrente e la crescita dei Sistemi Informativi Geografici
ha fornito un significativo aiuto all'integrazione dei dati telerilevati con
altri tipi di dati spaziali.
L'approccio GIS (Geographic Information System) è adatto alla
raccolta, integrazione ed analisi di informazioni che hanno valore pratico
in molti settori di supporto alle decisioni nella gestione risorse e nel
controllo ambientale.
Principi fondamentali
La necessità di sviluppare sistemi di monitoraggio per l'osservazione
dei cambiamenti nell'uso del suolo, la ricerca e la protezione delle
risorse naturali e di tracciare le interazioni tra biosfera, atmosfera,
idrosfera e geosfera sono diventate di prioritaria importanza per i
manager, i politici e le popolazioni nelle nazioni sviluppate e in via di
sviluppo.
I principali utilizzi in 6 discipline
Applicazioni del Remote Sensing da satellite
Environment
Risk management
•Land Use / Land Cover maps
•Hydrological / Watershed map
•Wildlife Habitat Maps
•Land Unit Maps
•Soil Contamination Map
•Surface Water Condition Maps
•Wetland Analyses
•Quarries and Waste
Identification
•Desertification analysis
•Flood Extent 2D/3D
•Permeability Maps
•Volcano Temperature Maps
•Algae Maps
•Landslide & Ground Movement
Maps
•Snow Estimation Analyses
•Fire Damage Maps
•Oil Spill Maps
•Discharge Maps
•Storm Damage Maps
•Seismic Damage
•Building risk maps
Agriculture
•Yield estimates
•Inventory/statistics
•Soil condition analyses
•Range condition analyses
•Field variability/ crop vigour
•Crop damage reports
•Subsidy analyses (crop/areas
& acreage)
•Vegetation/Biomass index
Cartography
•Cartographic maps
•Cadastral maps
•City Models
•Road and infrastructure maps
•Space Maps
•DEMs
Principi fondamentali
Principali vantaggi del telerilevamento
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•
Visione globale.
Osservazione a diverse scale.
Copertura frequente.
Omogeneità nell’acquisizione.
Regioni spettrali oltre il visibile.
Formato digitale.
Principi fondamentali
Osservazione
globale
Dati NOAA-AVHRR
modis.nasa.gov
Principi fondamentali
Osservazioni
a diverse scale
Immagini Landsat delle eruzioni del’Etna,
Agosto 2001 e Ottobre 2002
Principi fondamentali
Media scala
Principi fondamentali
Copertura frequente
Immagini
Meteosat del
ciclone Andrew,
Agosto del 1992
Principi fondamentali
Omogeneità nell’acquisizione
Fitoplancton nel Mediterraneo: Seawifs
Regioni spettrali oltre il
visibile
Principi fondamentali
Acquisizione diretta
Principi fondamentali
Inconvenienti del telerilevamento
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•
Calibrazione (misure assolute).
Copertura nuvolosa.
Frequenza di acquisizione.
Risoluzione spaziale.
Risoluzione spettrale.
Visione stereoscopica.
Principi fondamentali
Importanza della calibrazione
Principi fondamentali
Copertura nuvolosa
Principi fondamentali
Frequenza di acquisizione
Acquisizioni settimanali ERS sull’Europa
in media 2 acquisizioni al mattino e 2 alla sera
Principi fondamentali
Frequenza di acquisizione
Principi fondamentali
Risoluzione spaziale
Risoluzione spaziale
http://www.geoeye.com/CorpSite/gallery/
This half-meter resolution image of Giza, Egypt was collected by the GeoEye-1 satellite on January 10, 2009. The
image features the Great Pyramid, which was built by King Snefru's son, Khufu.
The image features the Sphinx near the Great Pyramid, which was built by King Snefru's son, Khufu
Principi fondamentali
- Componenti del telerilevamento
A - Sorgente d’energia
B - Radiazione e atmosfera
C - Interazione con il bersaglio
D - Registrazione dell’energia
E - Trasmissione e trattamento dell’energia
F - Interpretazione ed analisi
G - Applicazioni
Principi fondamentali
- La radiazione elettromagnetica
Quantità importanti:
- Campo elettrico (E)
- Campo magnetico (B)
- Velocità della luce (c=3 x 108 ms-1)
- Frequenza ()
- Lunghezza d’onda (λ)
Frequenza e lunghezza d’onda sono legate dalla relazione: c = ּλ
Principi fondamentali
- La radiazione elettromagnetica
La distanza fra punti equivalenti (corrispondenti a stesse ampiezze
dell'onda o alla stessa fase) su un treno d'onda è la lunghezza d'onda. Il
numero di punti equivalenti che attraversano una posizione di riferimento
in un secondo è indicato dalla frequenza dell'onda (espressa in cicli/s o
hertz)
Principi fondamentali
- Polarizzazione di un’onda elettromagnetica
Polarizzazione = orientazione del campo elettrico E
rispetto alla direzione orizzontale
Se E oscilla lungo una direzione parallela a quella orizzontale, l’onda si
dice polarizzata orizzontalmente (H); se invece l’oscillazione avviene in
una direzione perpendicolare (rispetto al piano orizzontale), la
radiazione si dice polarizzata verticalmente (V)
Principi fondamentali
- Lo spettro elettromagnetico
La distribuzione delle energie di radiazione può essere
rappresentata sia in funzione della lunghezza d'onda che della
frequenza in un grafico noto come spettro elettromagnetico (EM)
Esso è arbitrariamente diviso in regioni con differenti nomi, a
seconda delle tecniche sperimentali di produzione e rilevazione,
e delle applicazioni scientifiche o commerciali
Principi fondamentali
multipli e sottomultipli
.
prefisso simbolo fattore
prefisso simbolo fattore
prefisso simbolo fattore
prefisso simbolo fattore
deca- da
101
giga- G
109
deci
d
10-1
nano- n
10-9
etto-
h
102
tera-
1012
centi
c
10-2
pico- p
10-12
chilo- k
103
peta- P
10
10-3
femto- f
10-15
mega- M
106
exa-
1018
10-6
atto-
a
10-18
T
E
15
milli m
micro μ
Principi fondamentali
- Lo spettro elettromagnetico: l’ultravioletto (UV)
All'estremo più energetico (alte
frequenze, piccole lunghezze d'onda)
ci sono i raggi gamma e i raggi x (le
cui
lunghezze
d'onda
sono
usualmente misurate in Angstroms
(Å), ovvero in unità di 10-10 m).
La radiazione ultravioletta si estende
da circa 300 Å a circa 4000 Å.
Sono le più piccole lunghezze d’onda
utilizzate per il telerilevamento, si
trovano nella regione che è situata
appena oltre la porzione viola dello
spettro visibile.
Principi fondamentali
- Lo spettro elettromagnetico: il visibile
Per le regioni centrali dello spettro è
opportuno utilizzare una fra le due
seguenti unità di misura: micron (µm),
ovvero multipli di 10-6 m o nanometri (nm),
di base 10-9 m. La regione visibile occupa
l'intervallo fra 0.4 e 0.7 µm, o quello
equivalente da 4000 a 7000 Å o ancora da
400 a 700 nm.
E’ la parte molto ristretta dello spettro
elettromagnetico che l’occhio umano è in
grado di percepire
- Viola:
0.400 ÷ 0.446 μm
- Blu:
0.446 ÷ 0.500 μm
- Verde:
0.500 ÷ 0.578 μm
- Giallo:
0.578 ÷ 0.592 μm
- Arancione:0.592 ÷ 0.620 μm
- Rosso:
0.620 ÷ 0.700 μm
Principi fondamentali
- Lo spettro elettromagnetico: il visibile
Principi fondamentali
Immagini a colore composte
Le immagini a colori possono essere ottenute con la combinazione di tre bande
con i tre colori (Rosso Verde, Blu - Red, Green, Blue (RGB)).
Combinando i tre colori (Rosso,
Verde, Blu) in varie proporzioni si
possono ottenere moltissimi colori
(giallo, ciano, magenta)
Quando questi tre colori sono combinati in varie proporzioni producono i diversi
colori nello spettro del visibile.
Associando ciascuna banda (non necessariamente una banda visibile) a un
colore primario si ottiene una immagine colorata composta.
La composizione e scomposizione dei colori
I principi che regolano questi due modi “di vedere i colori” sono detti: composizione e
scomposizione.
La composizione e la scomposizione dei colori sono regolate da due diversi principi:
la sintesi additiva e la sintesi sottrattiva.
La prima si riferisce al colore sotto forma di luce, la seconda al colore come
pigmento.
La sintesi additiva
La luce bianca contiene al suo interno tutti gli altri colori, come è possibile
evidenziare attraverso l’utilizzo di un prisma. I colori primari però, sono
essenzialmente tre: rosso, verde e blu, spesso indicati con le iniziali dei loro nomi
inglesi (R – Red, G – Green, B – Blue).
Questo è il principio di base del funzionamento degli schermi
televisivi e dei monitor per computer, che sono appunto
definiti schermi RGB.
Il termine primari indica che i tre colori sommati in uguali
proporzioni generano una luce bianca, mentre se sono
miscelati tra loro a due a due creano altri colori, detti
secondari.
Ogni colore primario ha un complementare, dato dalla somma
degli altri due primari.
La sintesi sottrattiva
La sintesi sottrattiva si applica sostanzialmente nella riproduzione dei
colori tramite la stampa, questa sintesi è quella che si applica agli
inchiostri. I pigmenti depositati sulla carta, colpiti dalla luce bianca, ne
assorbono alcune componenti e ne riflettono altre:
per esempio l’inchiostro magenta assorbe tutte le componenti della
luce tranne quella magenta.
I colori primari della sintesi sottrattiva non
sono altro che i colori secondari della sintesi
additiva, e cioè ciano, magenta e giallo. Anche
in questo caso si usano spesso le iniziali
inglesi (C – Cyan, M – Magenta, Y – Yellow).
Questi colori, miscelati tra loro in proporzioni
diverse, ottengono tutti gli altri colori.
Sommando tutti e tre al massimo dell’intensità
si ottiene il nero.
Principi fondamentali
- Immagini digitali
Sono costituite da un ordinamento bidimensionale di elementi
chiamati pixels disposti in righe e colonne, ciascuno rappresentante
una piccola area della superficie osservata
Ogni pixel è caratterizzato da un indirizzo che ne stabilisce la
locazione e da un valore di luminosità che rappresenta l’intensità
della radiazione misurata dal sensore (radiazione retrodiffusa)
Zona della Cittadella acquisita dal satellite IKONOS
Banda 1: 0.45-0.52 mm
176
231
788
934
558
84
361
433
309
444
208
144
475
875
832
222
107
475
258
433
402
254
139
640
942
722
121
222
464
263
235
180
111
263
828
887
340
121
382
382
277
162
116
79
382
847
710
134
107
444
299
167
189
263
351
651
879
506
139
203
413
281
111
167
98
88
454
816
226
144
330
361
245
167
153
185
371
843
741
134
299
371
382
226
245
351
568
863
898
475
330
299
402
351
254
340
433
651
855
855
557
296
141
225
122
113
425
972
246
88
536
599
340
215
203
212
390
988
774
144
425
550
495
302
355
488
781
980
999
404
508
460
467
543
371
453
627
781
993
972
Banda 2: 0.53-0.61 mm
222 306 578 361
397 231 281 215
952 543 187 113
1029 1010 774 302
368 944 1035 963
88 219 599 1014
346 128 110 309
502 439 194 107
343 446 578 327
571 481 312 571
376
194
144
159
446
974
921
116
125
495
592
240
209
358
418
781
980
481
113
243
Zona della Cittadella acquisita dal satellite IKONOS
Banda 3: 0.64-0.72 mm
157
270
753
930
345
56
292
715
385
797
184
148
380
901
840
184
131
569
564
477
347
208
157
537
938
526
85
225
807
335
302
201
90
256
742
856
261
71
374
613
275
181
109
102
364
904
742
104
126
829
434
198
150
297
318
618
862
374
64
222
380
258
116
169
80
90
292
753
213
54
364
345
278
160
153
148
294
899
586
112
309
321
347
278
270
328
640
904
916
285
323
290
343
407
256
321
504
672
921
813
Banda 4: 0.77- 0.88 mm
946
944
456
289
156
81
175
274
179
262
823
696
656
295
226
98
105
243
226
207
876 450 526 718 782 776 758 700
319 346 452 278 291 848 880 810
644 748 414 1165 271 548 636 878
542 1033 1227 1225 1276 664 486 887
282 386 1149 626 472 766 999 650
191 253 288 290 734 1104 1012 678
76 139 235 268 690 887 792 756
156
88
79 191 270 271 287 606
264 218 106
67
92 219 263 267
196 270 272 163
92
68 155 242
Principi fondamentali
Immagini a colore composte
Immagine a “colori veri" (R:3,G:2,B:1)
Per esempio, la banda 3 (banda del rosso -
Red), 2 (banda del verde - Green) e 1 (banda del
blu
-
Blue)
multispettrale
di
una
può
immagine
essere
Ikonos
assegnata
rispettivamente ai colori R, G, e B. In questo
modo, i colori dell’immagine composta che ne
risulta
sembrano a ciò che l’occhio umano
osserva.
Composizione a “falsi colori”
Ad ogni banda di una immagine multi spettrale può essere assegnato un colore in modo totalmente
arbitrario. In questo caso, il colore di un oggetto nell’immagine non ha alcuna rassomiglianza al
colore reale. Il prodotto risultante è noto come ‘immagine a falsi colori’. Ci sono molti possibili
schemi di produrre immagini a falsi colori. Tuttavia alcuni schemi possono essere più utili per
rivelare determinati oggetti nell’immagine.
Immagine a colori reali: nel sistema RGB
R: banda 3
+
G: banda 2
+
B: banda 1
157
270
753
930
345
56
292
715
385
797
364
345
278
160
153
148
294
899
586
112
309
321
347
278
270
328
640
904
916
285
323
290
343
407
256
321
504
672
921
813
222 306 578 361 376 592 557 536
397 231 281 215 194 240 296 599
952 543 187 113 144 209 141 340
1029 1010 774 302 159 358 225 215
368 944 1035 963 446 418 122 203
88 219 599 1014 974 781 113 212
346 128 110 309 921 980 425 390
502 439 194 107 116 481 972 988
343 446 578 327 125 113 246 774
571 481 312 571 495 243 88 144
425
550
495
302
355
488
781
980
999
404
508
460
467
543
371
453
627
781
993
972
299
371
382
226
245
351
568
863
898
475
330
299
402
351
254
340
433
651
855
855
176
231
788
934
558
84
361
433
309
444
184
148
380
901
840
184
131
569
564
477
208
144
475
875
832
222
107
475
258
433
347
208
157
537
938
526
85
225
807
335
402
254
139
640
942
722
121
222
464
263
302
201
90
256
742
856
261
71
374
613
235
180
111
263
828
887
340
121
382
382
275
181
109
102
364
904
742
104
126
829
277
162
116
79
382
847
710
134
107
444
434
198
150
297
318
618
862
374
64
222
299
167
189
263
351
651
879
506
139
203
380
258
116
169
80
90
292
753
213
54
413
281
111
167
98
88
454
816
226
144
330
361
245
167
153
185
371
843
741
134
Principi fondamentali
- Lo spettro elettromagnetico: l’infrarosso (IR)
La regione infrarossa (regione dello
spettro posta oltre il rosso), compresa fra
0.7 e 100 µm, ha 4 sottointervalli di
particolare interesse:
IR riflesso* (0.7-3.0 µm);
IR fotografico (0.7-0.9 µm), ovvero il
range di sensibilità delle pellicole;
bande termiche** a (3-5 µm) e (8-14 µm).
* Fino alla lunghezza d'onda di 3 µm la
radiazione è sostanzialmente dovuta alla
riflessione della radiazione solare e non
contiene quindi informazioni circa le
proprietà termiche delle superfici; viene
quindi chiamata infrarosso riflesso.
** La radiazione con lunghezza d'onda da 7
a 15 µm circa viene chiamata infrarosso
termico o infrarosso emesso poiché deriva
dalla emissione delle superfici a causa della
loro temperatura assoluta.
Principi fondamentali
Composizione a falsi colori (R:4,G:3,B:2)
Questo schema a falsi colori permette di rilevare facilmente la vegetazione nell’immagine.
La vegetazione appare
in diverse sfumature di
rosso che dipendono dai
tipi e dalle condizioni
della vegetazione, poiché
c’è una alta riflettanza
nella banda del vicino
infrarosso - NIR band.
L’acqua chiara appare di colore
bluastro scuro (alta riflettanza nella
banda del verde), mentre l’acqua
torbida appare ciano (alta riflettanza
nella banda del rosso dovuta alla
presenza
di
sedimenti)
rispetto
all’acqua chiara.
Il suolo nudo, le strade e le costruzioni
possono apparire con varie sfumature di
blu, giallo o grigio, in base alla loro
composizione.
Immagine a falsi colori infrarosso: nel sistema RGB
R: banda 4
+
G: banda 3
+
B: banda 2
946
944
456
289
156
81
175
274
179
262
823
696
656
295
226
98
105
243
226
207
876 450 526 718 782 776 758 700
319 346 452 278 291 848 880 810
644 748 414 1165 271 548 636 878
542 1033 1227 1225 1276 664 486 887
282 386 1149 626 472 766 999 650
191 253 288 290 734 1104 1012 678
76 139 235 268 690 887 792 756
156
88
79 191 270 271 287 606
264 218 106
67
92 219 263 267
196 270 272 163
92
68 155 242
157
270
753
930
345
56
292
715
385
797
184
148
380
901
840
184
131
569
564
477
347
208
157
537
938
526
85
225
807
335
302
201
90
256
742
856
261
71
374
613
275
181
109
102
364
904
742
104
126
829
434
198
150
297
318
618
862
374
64
222
380
258
116
169
80
90
292
753
213
54
364
345
278
160
153
148
294
899
586
112
309
321
347
278
270
328
640
904
916
285
323
290
343
407
256
321
504
672
921
813
222 306 578 361
397 231 281 215
952 543 187 113
1029 1010 774 302
368 944 1035 963
88 219 599 1014
346 128 110 309
502 439 194 107
343 446 578 327
571 481 312 571
376
194
144
159
446
974
921
116
125
495
592
240
209
358
418
781
980
481
113
243
557
296
141
225
122
113
425
972
246
88
536
599
340
215
203
212
390
988
774
144
425
550
495
302
355
488
781
980
999
404
508
460
467
543
371
453
627
781
993
972
Principi fondamentali
- Lo spettro elettromagnetico: le microonde
Per gli intervalli di lunghezze
d'onda maggiori si passa dai mm
ai cm ai metri. La regione delle
microonde è la più importante
dello
spettro
ai
fini
del
telerilevamento, va da 0.1 a 100
cm
ed
è
suddivisa
in
sottointervalli
o
bande
di
frequenza; include i range di
frequenze della maggior parte
dei sistemi radar che producono
la radiazione a microonde che
"illumina" gli oggetti e viene da
questi riflessa. La regione di
lunghezze
d'onda
maggiori
(frequenze più basse) oltre i 100
cm corrisponde alle bande radio.
Principi fondamentali
- La radiazione solare
La
principale
sorgente
di
eccitazione energetica utilizzata
per illuminare i bersagli naturali
è la radiazione solare. Il suo
spettro è determinato dalla
temperatura
della
fotosfera
solare (caratterizzata da un picco
in prossimità di 5600 °C). La
radiazione solare incidente è
prevalentemente
concentrata
nell'intervallo
di
lunghezze
d'onda fra 200 e 3400 nm (0.2 e
3.4 µm), con un massimo di
potenza a circa 480 nm (0.48 µm)
(nel verde).
Principi fondamentali
Il Sole
• gigantesca sfera di gas ionizzato (plasma): emette radiazioni elettromagnetiche e
corpuscolari
• stella di colore giallo. Si distingue una parte interna, non visibile, e una parte
esterna (atmosfera solare).
• Parte interna: nucleo, zona di radiazione, zona di convezione
• Parte esterna: fotosfera, cromosfera, corona
• macchie solari: zone che appaiono più scure sulla superficie del Sole per contrasto
con la fotosfera circostante
Caratteristiche del Sole
- raggio
- massa
- densità media
- temperatura superficiale
- accelerazione di gravità
alla superficie
- distanza dalla Terra
- diametro angolare
apparente del disco
696 500 km
(109 volte quello terrestre)
2 x 1030 kg
(333 400 volte quella terrestre)
1,41 g/cm3
(un quarto di quella terrestre)
5700 °C
274 m/s2
(28 volte quella terrestre)
da 147,1 a 152,1 milioni di km;
in media 149,6 milioni di km
da 31'27" a 32'30"
Il Sole
L’energia emessa dal sole che giunge sulla Terra è il principale fattore che determina non solo il
clima ma la presenza di specie viventi sul pianeta.
Legge della Radiazione di Planck: il Sole si comporta
come un radiatore perfetto (corpo nero) con temperatura
~5800K (K = ◦C + 273.15). I corpi neri assorbono, e
successivamente emettono, tutta la radiazione incidente
sulla loro superficie. L’energia emessa varia con la
lunghezza d’onda, seguendo l’equazione di Planck
M   
2  h c2
hc


5  k T
 e
 1




M () è l’emissione spettrale,
 è la lunghezza d’onda della radiazione (m),
h è la constante di Planck (h = 6.626×10−34 J s),
c è la velocità della luce (c ≈ 3×108 m s−1),
k è la constante Boltzmann (k = 1.3807×10−23 J K−1),
T è la temperatura del corpo nero (K).
LEGGE DI STEFAN - BOLTZMAN
Q
e ST 4
t
Costante di Stefan
 = 5.67  10-8 W m-2 K-4
Q = calore emesso nell'unità di tempo dalla superficie S alla temperatura T (K)
e = potere emissivo della superficie (0e1)
Principi fondamentali
Principi della Radiazione Solare
Legge dello Spostamento di Wien: descrive una relazione inversa tra la
lunghezza d’onda del picco di un'emissione da parte di un corpo nero, e la sua
tempertura:
2897
 max 
T
Dove max è la lunghezza d'onda del picco espressa in mm, e T è la temperatura del corpo
nero espressa in Kelvin.
Il Sole ha una temperatura superficiale di 5800 K, così
max = 2897/5800 ≈ 0.5 mm (verde)
La temperatura media superficiale terrestre è circa 287K (i.e. ∼ 13◦C), così
max = 10 mm (infrarosso)
Principi fondamentali
Principi della Radiazione Solare
Emissione Spettrale (MW m−2 µm−1)
Curva della Radiazione del Corpo Nero
lunghezza d’onda (mm)
Principi fondamentali
Principi della Radiazione Solare
Equazione di Stefan-Boltzmann: Radiazione totale emessa da un corpo nero in
le lunghezze d’onda, M, data dall’equazione Stefan-Boltzmann
M=T4
Costante Stefan-Boltzmann,
 = 5.67×10−8 W m−2 K−4, così
M sole ≈ (5.67×10−8 Wm−2 K−4) × (5800 K)4
≈ 6.4165 x 107 Wm−2
≈ 64 MW m−2
M terra ≈ (5.67×10−8 Wm−2 K−4) × (287 K)4
≈ 385 W m−2
tutte
Principi fondamentali
Radiazione Solare sulla Superficie della Terra
Effetto della distanza Terra-Sole:
la Terra riceve una piccola frazione
dell’energia totale emessa dal sole
 rsun 
E0 λ   Msun λ  

 d 
E0()
2
è la radiazione solare incidente al top dell’atmosfera
terrestre (exo-atmospheric solar spectral irradiance),
Msun()
rsun
d
è l’emissione spettrale del sole,
è il raggio del sole (r ≈ 6.96×108m),
è la distanza media tra Terra e Sole (d ≈ 1.5×1011m).
Principi fondamentali
Irradiazione Spettrale (W m−2 µm−1)
Spettro Solare Eso-Atmosferico
lunghezza d’onda (mm)
Constante solare - Irradiazione Solare Totale:
l’area sottesa dalla curva è nota
come constante solare
E0 ≈ 1380 W m−2
Ma è una definizione errata in quanto E0 varia anche se di poco durante il ciclo solare e più
sensibilmente durante periodi di tempo più lunghi. Descritto più accuratamente come
Irradiazione Solare Totale
Principi fondamentali
Costante solare (Irradiazione Solare Totale)
è la quantità di energia che
nell'unità
di
tempo
colpisce l'unità di area
situata
al
di
fuori
dell'atmosfera terrestre e
posta perpendicolarmente
alla direzione dei raggi
solari; il valore della
costante solare è di 1380
W/m2.
Complessivamente,
la
quantità di energia che il
Sole irradia annualmente
entro l'atmosfera terrestre
è di 5,5 x 1024 Joule e di
essa
circa
il
70%
raggiunge la superficie
terrestre.
Sole
Terra
1380
 63700002 60 60 24 365
Principi fondamentali
- Interazione della radiazione con l’atmosfera
Quando la radiazione (solare o non) attraversa l'atmosfera terrestre una
frazione dell'energia viene assorbita o diffusa, mentre il resto è trasmesso
- Diffusione: particelle o grandi molecole di gas
presenti nell’atmosfera interagiscono con la
radiazione incidente, deviandola dalla sua
traiettoria iniziale
- Assorbimento: l’energia della radiazione
incidente viene assorbita da grosse molecole, quali
ozono, anidride carbonica e vapore acqueo,
presenti nell’atmosfera
Principi fondamentali
Irradiazione Spettrale (W m−2 µm−1)
Spettri Solari Riferimento
lunghezza d’onda (mm)
Principi fondamentali
Effetto dell’Atmosfera
Principi fondamentali
- Finestre atmosferiche
Ogni molecola presente in atmosfera è caratterizzata da una propria banda
di assorbimento dello spettro; solo le radiazioni aventi lunghezze d’onda
che non cadono all’interno di queste bande possono essere usate nel
telerilevamento
Trasmissione atmosferica della radiazione incidente per diverse λ
Il blu evidenzia le zone di minima trasmissione mentre in bianco sono
riportate le aree note come "finestre atmosferiche" in cui la radiazione ha
una quantità ridotta di interazioni con le diverse specie molecolari, e può
quindi attraversare l'aria con perdite minime o nulle dovute all'assorbimento.
Le finestre atmosferiche più note sono, oltre naturalmente a quella del
visibile, quelle di 3-5 µm e 8-15 µm circa, relative all'infrarosso termico e
quasi tutta la banda delle microonde.
Principi fondamentali
- Finestre atmosferiche
Nell'intervallo fra 5 e 7 µm circa si ha un forte fenomeno di assorbimento della
radiazione da parte del vapor d'acqua: per tale motivo questa regione viene
utilizzata dai satelliti meteorologici per gli studi climatici.
La maggior parte dei sensori per il telerilevamento in aria o sulle piattaforme
spaziali sono stati costruiti per operare in una o più di una di tali finestre ed
effettuano le misure utilizzando rivelatori "sintonizzati" su certe frequenze
specifiche che attraversano l'atmosfera.
Nondimeno alcuni sensori, in particolar modo quelli a bordo dei satelliti
meteorologici, mirano a misurare direttamente fenomeni di assorbimento,
quali quelli dovuti al CO2 e ad altre molecole gassose.
Nella regione delle microonde la maggior parte della radiazione attraversa
l'atmosfera non ostacolata, per cui i segnali radar di tutte le bande
comunemente utilizzate raggiungono la superficie (sebbene le goccioline di
pioggia producano riflessioni che consentono di rivelare le precipitazioni).
Telerilevamento a microonde
- Le microonde
Le microonde (λ da 1 cm a 1 m) sono utilizzate sia per il telerilevamento
attivo che per quello passivo; grazie alla lunghezza delle loro λ,
confrontate al visibile ed all’infrarosso, godono di proprietà
fondamentali per il telerilevamento
Possono infatti penetrare attraverso
nuvole, polveri e forti precipitazioni,
poiché non sono suscettibili alla
diffusione atmosferica come lo
sono le lunghezze d'onda più corte
Questa proprietà permette il rilevamento mediante l’uso
microonde con qualsiasi condizione ambientale e di tempo
delle
Telerilevamento a microonde
Idrometeore
Pioggia: precipitazione di gocce d'acqua aventi diametro
superiore a 0.5 mm o di gocce più piccole ma sparse. Nel caso
di precipitazione a carattere di rovescio, il diametro delle gocce
è compreso tra 2 e 7 mm.
Neve: precipitazione di cristalli di ghiaccio, ramificati o stellati,
talvolta mescolati con cristalli di ghiaccio non ramificati. A
temperature superiori a –5° i cristalli sono generalmente
agglomerati in fiocchi.
Grandine: globuli di ghiaccio con diametro variabile da 5 a 50
mm che cadono separatamente ovvero agglomerati in pezzi più
grandi e irregolari. La grandine cade per lo più durante
temporali violenti, molto raramente con temperatura sotto lo
zero.
Nebbia: sospensione di piccolissime gocce. Per convenzione
internazionale la visibilità orizzontale deve risultare inferiore ad
1 chilometro. Per la formazione della nebbia è necessaria
un'umidità relativa molto alta.
Principi fondamentali
- Interazione Radiazione-Bersaglio
La radiazione che non è assorbita
o
diffusa
dall’atmosfera
raggiunge ed interagisce con la
superficie terrestre; l’energia
incidente (I) sulla superficie
terrestre
o
oceanica
è
caratterizzata da tre modi di
propagazione successiva:
- Trasmissione (T): parte della radiazione penetra in alcuni mezzi, per
esempio nell'acqua;
- Assorbimento (A): parte della radiazione è assorbita attraverso interazioni
molecolari o elettroniche con il mezzo attraversato; in seguito potrà poi
essere parzialmente riemessa;
- Riflessione (R): parte della radiazione è riflessa (e diffusa) dal bersaglio a
diversi angoli, inclusa la direzione del sensore. Un gran numero di sistemi di
telerilevamento sono designati alla misura della radiazione riflessa.
Principi fondamentali
LEGGI DELLA RIFLESSIONE E RIFRAZIONE
Nella riflessione il raggio riflesso giace
nel piano formato dal raggio incidente e
dalla normale alla superficie riflettente.
L'angolo di riflessione è uguale all'angolo
di incidenza.
Rifrazione  passaggio dei raggi
da un mezzo ad un altro di indice
di rifrazione diverso.
n  indice di rifrazione
c velocità di riferiment o
n 
v
velocità nel mezzo
Principi fondamentali
- Riflessione speculare e riflessione diffusa
Vi sono due casi estremi di riflessione da parte di un
bersaglio: la riflessione speculare e la riflessione diffusa
Superficie liscia = riflessione speculare;
tutta l’energia incidente viene riflessa in
un’unica direzione
Superficie rugosa = riflessione diffusa;
l’energia viene riflessa uniformemente in
tutte le direzioni
Se la lunghezza d’onda della radiazione incidente è piccola rispetto
alle variazioni superficiali (superficie rugosa) domina la riflessione
diffusa, altrimenti domina la riflessione speculare (superficie liscia)
Principi fondamentali
- Firme spettrali
La quantità di radiazione EM riflessa (assorbita, trasmessa) da un qualsiasi
oggetto varia al variare della lunghezza d'onda. Questa importante
proprietà della materia consente l'identificazione e la separazione di
diverse sostanze o classi attraverso la loro firma spettrale (curve spettrali)
come mostrato in figura
Dunque la sabbia può riflettere più luce della vegetazione a certe
lunghezze d'onda ma assorbirne di più ad altre. In linea di principio, vari
tipi di superfici possono essere riconosciute e distinte fra loro grazie a tali
differenze nelle riflettività relative
Principi fondamentali
- Firme spettrali
L’acqua e la vegetazione riflettono in modo simile nel visibile e
molto diversamente nella regione dell’infrarosso
Principi fondamentali
- Firme spettrali
Si osservino le posizioni dei punti che indicano le percentuali di riflettività
in corrispondenza di due lunghezze d'onda per quattro tipi comuni di
superfici (GL = terreni erbosi; PW = pinete; RS = sabbia rossa; SW =
acqua fangosa).
Qualora si considerino
più di due lunghezze
d'onda, i grafici in spazi
multidimensionali
tendono ad aumentare la
separabilità di materiali
diversi; questa è la base
del
telerilevamento
multispettrale.
Principi fondamentali
Sensori iperspettrali
Principi fondamentali
- Caratteristiche spettrali
Le curve evidenziano che la risposta spettrale della vegetazione è distinta da
quella della materia inorganica, grazie all’improvvisa crescita della riflettività
a circa 0.7 µm. Le curve indicano una crescita graduale della riflettività
all'aumentare della λ per materiali prodotti dall'uomo. Il calcestruzzo
(concrete), caratterizzato da una colorazione tenue, ha una risposta media
più elevata dell'asfalto scuro; gli altri materiali si collocano nel mezzo. Gran
parte dei tipi di vegetazione hanno una risposta molto simile fra 0.3 e 0.5 µm;
mostrano variazioni modeste nell'intervallo 0.5 - 0.6 µm; e la loro massima
variabilità (e quindi la discriminazione ottimale) è fra 0.7 e 0.9 µm.
CALCESTRUZZO
ASFALTO
SUOLO NUDO
GIAIA
CIOTTOLI
ERBA
ALBERI
BARBABIETOLA DA ZUCCHERO
STOPPIE DI FRUMENTO
CAMPI INCOLTI
Principi fondamentali
- Caratteristiche spettrali
Oggetti e proprietà della superficie terrestre sono descritti piuttosto in termini
di classi che di materia.
Ad esempio la vegetazione può essere distinta in: alberi, coltivazioni, prati,
alghe, ecc.; si può ricorrere anche a suddivisioni ulteriori, classificando gli
alberi come decidui o sempreverdi, o ancora gli alberi decidui come querce,
aceri, pioppi, ecc Le varie classi sono distinte attraverso due proprietà
aggiuntive agli attributi spettrali, ovvero la
forma (caratteristiche geometriche) e
l'uso o il contesto (in certi casi la dislocazione geografica).
Due oggetti con caratteristiche spettrali identiche di vegetazione potrebbero
essere assegnate alle classi "foresta" e "area coltivata" in funzione della
regolarità dei contorni (rettilinei, spesso con strutture rettangolari o irregolari).
Un'applicazione fondamentale del telerilevamento è nella classificazione delle
tipologie presenti in una scena in categorie significative o classi che possono
essere convertite in mappa tematica.
Principi fondamentali
- Caratteristiche spettrali
Obiettivo di un qualsiasi sistema di telerilevamento è
semplicemente la:
rivelazione di segnali di radiazione,
determinazione del loro carattere spettrale,
derivazione di adeguate firme,
correlazione delle distribuzioni geografiche delle classi che
rappresentano.
Tutto ciò ha come risultato la visualizzazione di un prodotto
interpretabile, che può essere una mappa o un insieme di dati
numerici, che rispecchia le caratteristiche di una superficie (o di
una proprietà dell'atmosfera) attraverso indicazioni sulla natura e
sulla distribuzione degli oggetti presenti nel campo di vista.
Principi fondamentali
- Telerilevamento attivo e passivo
Telerilevamento passivo: il sensore misura la
radiazione naturalmente disponibile (emessa o
riflessa dagli oggetti). Per tutte le energie riflesse,
questo può avvenire solo quando il sole illumina
la Terra, per cui la notte non c'è energia riflessa
disponibile. L'energia che viene naturalmente
emessa (come quella dell'infrarosso termico) può
essere registrata sia di giorno che di notte, purché
la quantità di energia sia tale da essere registrata.
Telerilevamento attivo: il sensore emette la
radiazione (propria fonte di energia) che è diretta
verso l'oggetto che deve essere osservato. La
radiazione riflessa dall'oggetto è registrata e
misurata dal sensore. I vantaggi sono la capacità
di ottenere misure in ogni istante, senza problemi
legati al momento del giorno o della stagione, e
l’utilizzo di radiazioni di varie λ. Lo svantaggio è
che sono richieste grosse quantità di energia.
Principi fondamentali
Le misure spettrali coinvolgono l'interazione fra la radiazione che illumina
e la struttura atomica/molecolare di qualsiasi mezzo, determinando un
segnale riflesso modificato in seguito all'attraversamento dell'atmosfera
e in funzione della natura della risposta del sistema di rivelazione del
sensore.
Principi fondamentali
Posizione del sole rispetto alla Terra
L’angolo di zenith del Sole,
ψ, varia con la latitudine, l’anno e il giorno secondo la
seguente formula
cos ψ = sin ΦL sin δ + cos ΦL cos δ cos θ
ΦL è la latitudine del sito in studio, δ è l’angolo di declinazione del sole, θ
del Sole.
è l’angolo orario
Principi fondamentali
Posizione del sole rispetto alla Terra
Angolo di declinazione del Sole descrive l’angolo del
piano del sole rispetto
Angolo di declinazione del Sole, δ
all’equatore terrestre
Giorno dell’anno, DoY
Valore approssimato di δ ottenuto da:
 360 DoY  10 
   23.4 cos 

365


DoY è il giorno dell’anno
DoY = 1 1 Gennaio
DoY = 2 2 Gennaio
ecc. . .
Principi fondamentali
Posizione del sole rispetto alla Terra
Angolo orario del Sole,
θ, descrive l’angolo attraverso il quale la Terra ha ruotato
rispetto al mezzogiorno locale. La Terra ruota approssimativamente di 360◦ ogni 24 ore, o 15◦
per ora, così valori approssimati di θ sono dati da
θ ≈ 15(12−h)
dove h è il tempo solare locale in ore, e varia da 0 a 24, così che θ = 0◦ al mezzogiorno solare
locale.
Principi fondamentali
- Risoluzione radiometrica di un’immagine digitale
L’intensità di ogni pixel è digitalizzata e registrata sotto forma di numero
digitale, cioè composto da una quantità finita di bit, il numero di bit utilizzati
determina la risoluzione radiometrica dell’immagine, ossia la più piccola
variazione di intensità che può essere registrata
Un numero digitale a 8 bit ha 256 livelli in cui poter dividere o quantizzare
l’intensità retrodiffusa (28=256), quindi l’immagine sarà composta da 256
differenti tonalità
8 bit (Alta risoluzione radiometrica)
1 bit (Bassa risoluzione radiometrica)
Principali riviste di telerilevamento