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La Terra controllata da “occhi” radar. 1 La Terra controllata da “occhi” radar Gianfranco Fornaro Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente.

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1 La Terra controllata da “occhi” radar. 1 La Terra controllata da “occhi” radar Gianfranco Fornaro Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente (IREA) Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) Via Diocleziano, Napoli

2 La Terra controllata da “occhi” radar. Telerilevamento ed Osservazione della Terra Il telerilevamento, in inglese remote sensing, è la disciplina tecnico-scientifica o scienza applicata con finalità diagnostico-investigative che permette di ricavare informazioni sull'ambiente e su oggetti posti a distanza da un sensore mediante misure di radiazione elettromagnetica (emessa, riflessa o trasmessa) che interagisce con le superfici fisiche di interesse. Il telerilevamento ha applicazioni in diversi campi: rischi ambientalisicurezza agricoltura

3 La Terra controllata da “occhi” radar. I sensori radar in orbita polare I sensori radar sono posti su satelliti in orbita polare, Low Earth Orbit (LEO), al fine di sfruttare il moto relativo tra oggetti e sensore. Un giro della Terra viene effettuato in meno di due ore. I satelliti meteorologici e per telecomunicazioni sono in orbita geostazionaria per osservare sempre la stessa area. Video orbita polare Video orbita geostazionaria

4 La Terra controllata da “occhi” radar. Sensori attivi e passivi Sensori passivi: usano la radiazione solare (luce) o quella intrinsecamente emessa dall’oggetto osservato come fonte di illuminazione. Tipicamente operano nell’ infrarosso o nell’ottico. Sensori attivi: hanno una propria sorgente di illuminazione.

5 La Terra controllata da “occhi” radar. Le frequenze operative Le frequenze operative sono gli elementi caratterizzanti dei sensori di telerilevamento. Si distinguono i sensori ottici e all’infrarosso (multi/iper-spettrali) e i sensori a microonde. I sensori radar sono sensori attivi che operano nella regione microonde.

6 La Terra controllata da “occhi” radar. I sensori radar: capacità di “vedere” sempre Sensore MERIS sul satellite EnvisatSensore ASAR sul satellite Envisat stesso instante di acquisizione

7 La Terra controllata da “occhi” radar. L’importanza dell’informazione coerente L’utilizzo di una propria sorgente di illuminazione consente nei sistemi radar l’emissione di una radiazione con oscillazioni perfettamente controllate (radiazione coerente) Radiazione incoerente (es. luce solare) Radiazione coerente (impulso radar)

8 La Terra controllata da “occhi” radar. Il radar misura la distanza degli oggetti Come per un radar di sorveglianza anche nei radar per immagini i ritorni (echi) di oggetti a differenti distanze sono centrati a differenti tempi. Il radar ha quindi la possibilità di distinguere oggetti a differenti distanze (range) con un grado di risoluzione che è funzione della larghezza dell’impulso. Larga Banda Impulsi stretti Alta risoluzione

9 La Terra controllata da “occhi” radar. Il problema di operare a basse frequenze La diminuzione della frequenza della radiazione radar rispetto a quella ottica comporta una perdita di risoluzione. A sinistra è rappresentata una immagine presa del sensore Ikonos (ottico) ad 1m di risoluzione (immagine in alto). L’immagine in basso mostra il processo di peggioramento della risoluzione legato alla riduzione della frequenza della frequenza. Le immagini radar grezze presentano un grado di risoluzione dell’ordine di qualche chilometro.

10 La Terra controllata da “occhi” radar. Radar ad Apertura Sintetica (SAR): la possibilità di avere immagini ad altissime risoluzioni alle microonde orbita Footprint 5Km 0.3° 1m ° COSMO/SKYMED Spotlight - 1m di risoluzione spaziale Focalizzazione: CNR-IREA

11 La Terra controllata da “occhi” radar. La profondità Il sistema visivo consente di ricostruire la profondità confrontando due le immagini ai due occhi che osservano gli oggetti da angoli «leggermente diversi» (visione stereoscopica). Ciò che conta è di quanto è spostata da un occhio all’altro la proiezione dell’oggetto sul piano visivo: spostamenti elevati corrispondono ad oggetti vicini, spostamenti piccoli corrispondono ad oggetti lontani.

12 La Terra controllata da “occhi” radar. Le variazioni di distanza misurate con le oscillazioni ad alta frequenza (misure di fase) La misura della variazione di distanza con le tecniche interferometriche raggiunge accuratezze subcentimetriche: le misure topografiche risultanti dall’applicazione di tale tecnica raggiungono una accuratezza elevata, confrontabile con quelle planimetriche. cm

13 La Terra controllata da “occhi” radar. Esempio di interferogramma Sovrapposizione tra immagine SAR (scala di grigio) e la mappa delle interferenze (“picchi” delle oscillazioni).

14 La Terra controllata da “occhi” radar. La forma della Terra: le missioni per la misura delle mappe digitali altimetriche (DEM) a scala mondiale Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Year: 2000 NASA, DLR, ASI Coverage: quasi-global (-54°:+60° lat) Gridding: 90m (30m on USA) freely available) Standard: DTED-2 TerraSAR-X/Tandem-X Year: 2010 DLR Coverage: global Gridding: 12m Standard: DTED-3

15 La Terra controllata da “occhi” radar. La forma della Terra misurata dalla missione SRMT dello Shuttle Endeavour Video sorvolo simulato su DEM

16 La Terra controllata da “occhi” radar. La forma della Terra a scala mondiale con diversi gradi di dettaglio  Astrium

17 La Terra controllata da “occhi” radar. A seguito di fenomeni progressivi o estremi (frane, rigonfiamenti di origine vulcanica, terremoti), la forma della Terra cambia nel tempo. Tali variazioni (spostamenti) possono essere misurate utilizzando due riprese successive. L’interferometria differenziale per la misura delle “variazioni della forma della Terra” La tecnica dell’interferometria differenziale permette di misurare spostamenti con accuratezze centimetriche su aree vaste (diverse decine di migliaia di chilometri quadrati). cm Anche in questo caso il controllo delle oscillazioni ad alta frequenza (fase) consente di avere misure molto accurate.

18 La Terra controllata da “occhi” radar. “ Immagini ” dei Terremoti LANDERS (California) 1992 : la prima «immagine» di un terremoto. Bam (Iran) 2003: immage Envisat.

19 La Terra controllata da “occhi” radar. Interferogramma Cosismico – cm cm Le deformazioni de l’Aquila viste dai satelliti italiani Cosmo/Skymed

20 La Terra controllata da “occhi” radar. Le deformazioni de l’Aquila viste dal satellite ENVISAT dell’Agenzia Spaziale Europea Video TG2 del 14 aprile 2009

21 La Terra controllata da “occhi” radar. Interferogramma Cosismico 27 maggio – 4 giugno 2012 Le deformazioni dell’Emilia viste dai satelliti italiani Cosmo/Skymed

22 La Terra controllata da “occhi” radar. Le tecniche interferometriche che combinano decine di immagini Utilizzando riprese in diversi tempi è possibile monitorare nel tempo le deformazioni con accuratezze che arrivano all’ordine del millimetro all’anno. La tecnologia è stata interamente inventata e sviluppata in Italia.

23 La Terra controllata da “occhi” radar. Un esempio di monitoraggio su scala regionale Sensori: ERS, ENVISAT Elaborazione: CNR-IREA Risoluzione spaziale: 10m Risoluzione prodotto: 80m

24 La Terra controllata da “occhi” radar.  =0.4 cm  =0.5 cm LOS Inclinometer  Δ LOS SAR Applicazione alle frane

25 La Terra controllata da “occhi” radar. Il terremoto de l’Aquila monitorato da Cosmo/Skymed

26 La Terra controllata da “occhi” radar. Webgis: POSTAZIONE INTERATTIVA ISOLA 5

27 La Terra controllata da “occhi” radar. La scansione del fascio in quota Utilizzando diversi passaggi si possono sintetizzare antenne di dimensioni elevate anche in quota e quindi avere la possibilità di generare fasci stretti che possono essere utilizzati per scandire in quota la risposta di oggetti al suolo. 1.2° 0,001° 2Km Applicazioni: foreste e ricostruzione e monitoraggio di aree complesse (urbane). Anche in questo caso la tecnologià da satellite è stata dimostrata e sviluppata in Italia.

28 La Terra controllata da “occhi” radar. I parametri delle foreste Utilizzando diversi con sensori a basse frequenze si può vedere attraverso le foreste ed ottenere informazioni sull’altezza delle piante e sui parametri legati alla biomassa. Track 1 Track n Track N  Politecnico di Milano

29 La Terra controllata da “occhi” radar. Dati SAR ad altissima risoluzione Immagine ottica Immagine radar TerraSAR-X

30 La Terra controllata da “occhi” radar. Il “radar scanner” dallo spazio Ricostruzione 3D dell’Hotel Mirage (Las Vegas) Sensore: TerraSAR-X Risoluzione spaziale: 1m Elaborazione: CNR-IREA /Agenzia Spaziale Tedesca

31 La Terra controllata da “occhi” radar. Dilatazioni termiche monitorate dallo spazio Area: Potenza (Italy) Ponte: Musmeci Sensore: TerraSAR-X Risoluzione spaziale: 3m Processing: CNR-IREA Progetto Europeo ISTIMES (Integrated System for Transport Infrastructures surveillance and Monitoring by Electromagnetic Sensing)

32 La Terra controllata da “occhi” radar. Sensori SAR da satellite: passato e futuro ERS1 ERS2 RADARSAT-1 RADARSAT-2 ENVISAT TERRASAR-X COSMO/SKYMED 2010 SENTINEL J-ERS ALOS 2006 ALOS KOMPSAT-5 TANDEM-X

33 La Terra controllata da “occhi” radar. L’Italia è un Paese dove gli “occhi” radar rappresentano una tecnologia all’avanguardia sia a livello di satelliti e sistemi HW che di tecniche SW di elaborazione dei dati. Video TG La7 del 6 novembre 2010

34 La Terra controllata da “occhi” radar. Conclusioni L’occhio SAR a microonde rappresenta un potente strumento per il monitoraggio del rischio ambientale e per la sicurezza. La tecnologia permette di monitorare grandi aree e consente analisi di dettaglio a risoluzioni molto elevate per il controllo anche di singole infrastrutture ed edifici. La tecnologia ha bassi costi rispetto ad altri metodi (linee di livellazioni, stazioni GPS, ecc) e consente la realizzazione di servizi operativi efficaci a livello nazionale e globale. La tecnologia è in forte crescita. I nuovi sensori sono volti a migliorare le capacità in termini di copertura e di qualità delle misure (precisione, sensibilità e densità spaziale e temporale). L’Italia continuerà a giocare un ruolo fondamentale con la messa in orbita dei satelliti COSMO/SKYMED Second Generation. GRAZIE


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