Definizioni e leggi di base CAPITOLO 2 Definizioni e leggi di base A. Dermanis, L. Biagi

fra pixel e sensore. ΔΩ P ΔΑ I sensori raccolgono l’energia elettromagnetica ΔQ emessa da un elemento di superficie ΔΑ (pixel), durante un intervallo di tempo Δt, e relativa all’angolo solido ΔΩ fra pixel e sensore. ΔΩ Per caratterizzare l’energia incidente è necessario rimuovere dall’osservazione la dipendenza da ΔΑ, Δt e ΔΩ. P ΔΑ Definizioni di base (Q = energia) Flusso radiante Φ(t): (potenza) Exitanza radiante M(t,P): (emessa) Irradianza E(t,P): (incidente) Radianza L: A. Dermanis, L. Biagi

I segnali elettromagnetici x(t) consistono di seni e coseni con differenti periodi T, o frequenze angolari ω = 2π/Τ=2πf, o lunghezze d’onda λ = cT (c =velocità luce) Rappresentazione di Fourier: A. Dermanis, L. Biagi

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Pw(ω) = funzione di densità spettrale di potenza Potenza del segnale: Pw(ω) = funzione di densità spettrale di potenza Flusso radiante: Exitanza: Radianza: = exitanza spettrale = radianza spettrale A. Dermanis, L. Biagi

Lo spettro elettromagnetico cm λ 0.1 1 10 102 103 104 105 106 0.1 1 10 102 103 104 105 106 107 A μ cm m km 0.3 0.2 3 30 300 0.3 3 30 300 0.3 3 30 3 30 300 3 30 300 RADAR γ RADIO AUDIO AC Χ MICROONDE UV IR VISIBILE UV (Ultravioletto)  Violetto Rosso  IR (Infrarosso) A. Dermanis, L. Biagi

Le leggi della radiazione elettromagnetica Un corpo (la superficie di un corpo) può: 1. assorbire la radiazione incidente, 2. riflettere la radiazione incidente, a) specularmente b) con simmetria sferica (lambertiana) 3. trasmettere la radiazione incidente, 4. emettere radiazione. Tali caratteristiche possono essere funzione della specifica lunghezza d’onda della radiazione. Corpo nero: Un corpo ideale, assorbe completamente la radiazione a tutte le lunghezze d’onda, emette in base a leggi ideali la radiazione elettromagnetica. Approssimazione fisica: il Sole. A. Dermanis, L. Biagi

T = temperatura Le leggi della radiazione elettromagnetica Corpo nero Legge di Planck: (exitanza spettrale del corpo nero) Legge di Stefan-Boltzmann: (exitanza totale del corpo nero) Legge di Wien: (λ di massima exitanza spettrale) A. Dermanis, L. Biagi

La radiazione elettromagnetica solare solar irradiance below atmosphere atmospheric absorption A. Dermanis, L. Biagi

Il corpo reale L’exitanza non coincide con quella del corpo nero: si definisce l’emissività del corpo Nel caso di energia incidente (irradianza), un corpo reale riflette, assorbe e trasmette riflettività assorbività, trasmissività, Legge di conservazione dell’energia Legge di Kirchhoff A. Dermanis, L. Biagi

La firma spettrale di una superficie E’ così definita la funzione che descrive la riflettività di un determinato tipo di materiale in funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente. La firma spettrale di un corpo può essere determinata mediante analisi di laboratorio (spettrometri). A fianco, esempi di firma spettrale per alcuni minerali. A. Dermanis, L. Biagi

Telerilevamento: il caso ideale Un insieme di sensori registra la radianza riflessa da un pixel della superficie del pianeta, per tutte le lunghezze d’onda. Si ottiene quindi, per quel pixel, una firma spettrale osservata. Si confronta la firma spettrale osservata con un archivio di firme spettrali note. Si attribuisce il pixel alla classe di superficie corrispondente alla firma spettrale osservata A. Dermanis, L. Biagi

V T A ρ V T A λ (μm) Tre tipi di copertura del suolo: A = Acqua, T = Terra spoglia, V = Vegetazione 0.5 1.0 1.5 2.0 ρ λ (μm) V T A A. Dermanis, L. Biagi

Telerilevamento: il caso reale Il comportamento dei sensori Il comportamento delle classi di copertura La trasmissione atmosferica A. Dermanis, L. Biagi

w(λ) = funzione di risposta del sensore I sensori rispondono alla radianza solo entro una banda spettrale λ1  λ  λ2 : Sensore ideale: Sensore reale: w(λ) = funzione di risposta del sensore Funzioni di risposta dei 4 sensori del Multispectral Scanner (Landsat) A. Dermanis, L. Biagi

Bande spettrali del Thematic Mapper (T1, T2, T3, T4, T5) (Landsat) e del HRVIR (S1, S2, S3, S4) (SPOT4) 1. water 2. vegetation 3. bare soil 4. snow A. Dermanis, L. Biagi

L’eterogeneità delle classi La classe foresta: diversi tipi di alberi, diversi stadi di invecchiamento: eterogeneità spaziale; diversi stati di umidità, diversi stati di fogliazione: eterogeneità temporale. La risoluzione al suolo dei sensori dovrebbe essere altissima! L’archivio delle firme spettrali dovrebbe essere sterminato! A. Dermanis, L. Biagi

L’effetto atmosferico L’atmosfera assorbe e diffonde la radiazione elettromagnetica: 1. l’exitanza incidente su un pixel è diversa da quella emessa dal Sole; 2. la radianza osservata nel sensore per una certa banda è diversa dalla radianza riflessa dal pixel. A. Dermanis, L. Biagi