Telerilevamento Paolo Trivero Università del Piemonte Orientale “A. Avogadro” - Alessandria 2009-2010.

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1 Telerilevamento Paolo Trivero Università del Piemonte Orientale “A. Avogadro” - Alessandria trivero@unipmn.it 2009-2010

2 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. Satelliti commerciali

3 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. 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

4 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

5 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). 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 GeoEyeIntroduzione

6 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

7 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. Missioni spaziali attuali Introduzione

8 - Cos'è il telerilevamento Definizione formale e completa del 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

9 SODAR : Profilo verticale del vento RASS : Profilo verticale della temperatura Phased array SODAR Principi fondamentali - Telerilevamento con base a terra

10 Principi fondamentali - Telerilevamento da satellite

11 Principi fondamentali

12 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

13 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. Principi fondamentali I principali utilizzi in 6 discipline

14 Applicazioni Applicazioni del Remote Sensing da satellite Environment 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 Risk management 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

15 Visione globale. Osservazione a diverse scale. Copertura frequente. Omogeneità nell’acquisizione. Regioni spettrali oltre il visibile. Formato digitale. Principali vantaggi del telerilevamento Principi fondamentali

16 Osservazione globale modis.nasa.govDati NOAA-AVHRR Principi fondamentali

17 Osservazioni a diverse scale Immagini Landsat delle eruzioni del’Etna, Agosto 2001 e Ottobre 2002 Principi fondamentali

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19 Media scala Principi fondamentali

20 Copertura frequente Immagini Meteosat del ciclone Andrew, Agosto del 1992 Principi fondamentali

21 Omogeneità nell’acquisizione Fitoplancton nel Mediterraneo: Seawifs Principi fondamentali

22 Regioni spettrali oltre il visibile

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27 Acquisizione diretta Principi fondamentali

28 Calibrazione (misure assolute). Copertura nuvolosa. Frequenza di acquisizione. Risoluzione spaziale. Risoluzione spettrale. Visione stereoscopica. Inconvenienti del telerilevamento Principi fondamentali

29 Importanza della calibrazione Principi fondamentali

30 Copertura nuvolosa Principi fondamentali

31 Acquisizioni settimanali ERS sull’Europa in media 2 acquisizioni al mattino e 2 alla sera Principi fondamentali Frequenza di acquisizione

32 Principi fondamentali Frequenza di acquisizione

33 Risoluzione spaziale Principi fondamentali

34 Risoluzione spaziale

35 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.

36 The image features the Sphinx near the Great Pyramid, which was built by King Snefru's son, Khufu

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39 - 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

40 - La radiazione elettromagnetica Quantità importanti: - Campo elettrico (E) - Campo magnetico (B) - Velocità della luce (c=3 x 10 8 ms -1 ) - Frequenza ( ) - Lunghezza d’onda (λ) Frequenza e lunghezza d’onda sono legate dalla relazione: c = ּ λ Principi fondamentali

41 - 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)

42 - Polarizzazione di un’onda elettromagnetica 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) Polarizzazione = orientazione del campo elettrico E rispetto alla direzione orizzontale Principi fondamentali

43 - 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

44 multipli e sottomultipli. prefissosimbolofattoreprefissosimbolofattoreprefissosimbolofattoreprefissosimbolofattore deca-da10 1 giga - G10 9 decid10 nano-n10 -9 etto-h10 2 tera-T10 12 centic10 -2 pico-p10 -12 chilo-k10 3 peta-P10 15 millim 10 -3 femto-f10 -15 mega - M 10 6 exa-E10 18 microμ 10 -6 atto- a 10 -18 Principi fondamentali

45 - Lo spettro elettromagnetico: l’ultravioletto (UV) Principi fondamentali 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.

46 - Lo spettro elettromagnetico: il visibile 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 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.

47 Principi fondamentali - Lo spettro elettromagnetico: il visibile

48 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. 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)). Principi fondamentali

49 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.

50 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.

51 - 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) Principi fondamentali

52 Banda 1: 0.45-0.52  m Banda 2: 0.53-0.61  m Zona della Cittadella acquisita dal satellite IKONOS

53 Banda 3: 0.64-0.72  m Banda 4: 0.77- 0.88  m Zona della Cittadella acquisita dal satellite IKONOS

54 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 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) di una immagine Ikonos multispettrale può essere 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. Immagini a colore composte Principi fondamentali

55 Immagine a colori reali: nel sistema RGB R: banda 3 G: banda 2 B: banda 1 + +

56 - Lo spettro elettromagnetico: l’infrarosso (IR) Principi fondamentali 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.

57 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. 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. Composizione a falsi colori (R:4,G:3,B:2) Questo schema a falsi colori permette di rilevare facilmente la vegetazione nell’immagine. Il suolo nudo, le strade e le costruzioni possono apparire con varie sfumature di blu, giallo o grigio, in base alla loro composizione. Principi fondamentali

58 R: banda 4 G: banda 3 B: banda 2 + + Immagine a falsi colori infrarosso: nel sistema RGB

59 - Lo spettro elettromagnetico: le microonde Principi fondamentali 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.

60 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).

61 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 696 500 km (109 volte quello terrestre) - massa2 x 10 30 kg (333 400 volte quella terrestre) - densità media1,41 g/cm 3 (un quarto di quella terrestre) - temperatura superficiale5700 °C - accelerazione di gravità274 m/s 2 alla superficie(28 volte quella terrestre) - distanza dalla Terrada 147,1 a 152,1 milioni di km; in media 149,6 milioni di km - diametro angolareda 31'27" a 32'30" apparente del disco Principi fondamentali

62 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. Il Sole Legge della Radiazione di Planck: 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 ( ) 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 ≈ 3×10 8 m s −1 ), k è la constante Boltzmann (k = 1.3807×10 −23 J K −1 ), T è la temperatura del corpo nero (K).

63 LEGGE DI STEFAN - BOLTZMAN Q = calore emesso nell'unità di tempo dalla superficie S alla temperatura T (K) e = potere emissivo della superficie (0  e  1)

64 Dove max è la lunghezza d'onda del picco espressa in  m, 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  m (verde) La temperatura media superficiale terrestre è circa 287K ( i.e. ∼ 13 ◦ C ), così max = 10  m (infrarosso) Legge dello Spostamento di Wien: 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: Principi della Radiazione Solare Principi fondamentali

65 Curva della Radiazione del Corpo Nero lunghezza d’onda (  m) Emissione Spettrale (MW m −2 µm −1 ) Principi della Radiazione Solare Principi fondamentali

66 Equazione di Stefan-Boltzmann: Equazione di Stefan-Boltzmann: Radiazione totale emessa da un corpo nero in tutte le lunghezze d’onda, M, data dall’equazione Stefan-Boltzmann M =  T 4 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 10 7 Wm −2 ≈ 64 MW m −2 M terra ≈ (5.67×10 −8 Wm −2 K −4 ) × (287 K) 4 ≈ 385 W m −2 Principi della Radiazione Solare Principi fondamentali

67 Effetto della distanza Terra-Sole: Effetto della distanza Terra-Sole: la Terra riceve una piccola frazione dell’energia totale emessa dal sole E 0 ( ) è la radiazione solare incidente al top dell’atmosfera terrestre (exo-atmospheric solar spectral irradiance), M sun ( ) è l’emissione spettrale del sole, r sun è il raggio del sole (r ≈ 6.96×10 8 m), d è la distanza media tra Terra e Sole (d ≈ 1.5×10 11 m). Radiazione Solare sulla Superficie della Terra Principi fondamentali

68 Spettro Solare Eso-Atmosferico Irradiazione Spettrale (W m −2 µm −1 ) lunghezza d’onda (  m) Constante solare - Irradiazione Solare Totale: Constante solare - Irradiazione Solare Totale: l’area sottesa dalla curva è nota come constante solare E 0 ≈ 1380 W m −2 Ma è una definizione errata in quanto E 0 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

69 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/m 2. Complessivamente, la quantità di energia che il Sole irradia annualmente entro l'atmosfera terrestre è di 5,5 x 10 24 Joule e di essa circa il 70% raggiunge la superficie terrestre. Principi fondamentali Sole Terra Costante solare (Irradiazione Solare Totale) 1380  6370000 2 60 60 24 365

70 - Interazione della radiazione con l’atmosfera - 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 Quando la radiazione (solare o non) attraversa l'atmosfera terrestre una frazione dell'energia viene assorbita o diffusa, mentre il resto è trasmesso

71 Spettri Solari Riferimento Irradiazione Spettrale (W m −2 µm −1 ) lunghezza d’onda (  m) Principi fondamentali

72 Effetto dell’Atmosfera Principi fondamentali

73 - 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 Principi fondamentali 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.

74 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 CO 2 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).

75 Telerilevamento a microonde - Le microonde 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 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 Questa proprietà permette il rilevamento mediante l’uso delle microonde con qualsiasi condizione ambientale e di tempo

76 Idrometeore Pioggia: precipitazione di gocce d'acqua aventi diametro superiore a 0.5 mm o di gocce pi ù 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 pi ù grandi e irregolari. La grandine cade per lo pi ù durante temporali violenti, molto raramente con temperatura sotto lo zero. Nebbia: sospensione di piccolissime gocce. Per convenzione internazionale la visibilit à orizzontale deve risultare inferiore ad 1 chilometro. Per la formazione della nebbia è necessaria un'umidit à relativa molto alta. Telerilevamento a microonde

77 - 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: Principi fondamentali - 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.

78 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. Principi fondamentali

79 - 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 rugosa = riflessione diffusa; l’energia viene riflessa uniformemente in tutte le direzioni Superficie liscia = riflessione speculare; tutta l’energia incidente viene riflessa in un’unica direzione 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

80 - 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

81 - Firme spettrali L’acqua e la vegetazione riflettono in modo simile nel visibile e molto diversamente nella regione dell’infrarosso Principi fondamentali

82 - 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.

83 Sensori iperspettrali Principi fondamentali

84 - 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

85 classi Oggetti e proprietà della superficie terrestre sono descritti piuttosto in termini di classi che di materia. vegetazione alberi alberi decidui 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 forma (caratteristiche geometriche) e l'uso o il contesto 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). mappa tematica 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

86 Principi fondamentali Obiettivo di un qualsiasi sistema di telerilevamento è semplicemente la: rivelazione di segnali di radiazione rivelazione di segnali di radiazione, determinazione del loro carattere spettrale determinazione del loro carattere spettrale, derivazione di adeguate firme derivazione di adeguate firme, correlazione delle distribuzioni geografiche delle classi 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. - Caratteristiche spettrali

87 - Telerilevamento attivo e passivo Principi fondamentali 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.

88 Principi fondamentali modificato all'attraversamento dell'atmosfera risposta del sistema di rivelazione del sensore 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.

89 Posizione del sole rispetto alla Terra L’angolo di zenith del Sole L’angolo di zenith del Sole, ψ, varia con la latitudine, l’anno e il giorno secondo la seguente formula Φ L è la latitudine del sito in studio, δ è l’angolo di declinazione del sole, θ è l’angolo orario del Sole. cos ψ = sin Φ L sin δ + cos Φ L cos δ cos θ Principi fondamentali

90 Angolo di declinazione del Sole Angolo di declinazione del Sole descrive l’angolo del piano del sole rispetto all’equatore terrestre Valore approssimato di δ ottenuto da: DoY è il giorno dell’anno DoY = 1 1 Gennaio DoY = 2 2 Gennaio ecc... Posizione del sole rispetto alla Terra Angolo di declinazione del Sole, δ Giorno dell’anno, DoY Principi fondamentali

91 Angolo orario del Sole 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. Posizione del sole rispetto alla Terra Principi fondamentali

92 - 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 (2 8 =256), quindi l’immagine sarà composta da 256 differenti tonalità 8 bit (Alta risoluzione radiometrica)1 bit (Bassa risoluzione radiometrica) Principi fondamentali

93 Principali riviste di telerilevamento