Riassunti lezioni Telerilevamento

Lezioni – Telerilevamento

Lezione 11/04/2019

Lezioni: c’è tutto sulle dispense, non faremo tutta la dispensa.

Esercitazioni: c’è la dispensa per l’utilizzo di un software.

Laboratorio esonero 30 domande, il risultato va fornito con un numero.

Fotogrammetria

Utilizzare delle immagini per ricavare la misura delle cose. Nella prima parte del corso → alcuni concetti fisici.

Beam splitter – 1666 caratterizzare dal punto di vista spettrometrico l'onda elettromagnetica. Spettro elettromagnetico caratterizzato da misure di lunghezza d'onda.

Dobbiamo caratterizzare la fonte di energia esterna, delle interazioni energia-superfici (troposfera), colorimetria – fine prima parte. Nella seconda parte parleremo di processamento e tecniche di processamento delle immagini digitali di satellite ecc.

La prima foto della storia è acquisita su una lastra di stagno. Lastra è stata esposta alla luce per 8 ore (durata di esposizione). Essa è stata scattata dall'alto verso il basso, vuol dire che è più suggestivo scattarle dall'alto.

Concetti di fisica

Equazione di Max Planck, è importante, serve per approssimare l'emissività (la vedremo in seguito). La topografia determina la posizione spaziale di punti sulla superficie terrestre, rilevamento di tipo metrico.

Il telerilevamento sicuramente consente di fare un rilevamento metrico, ma il termine rilevamento si amplia perché esso è di tipo anche spettrale!

Oltre alla posizione metrica, si occupa anche di capire quali siano le loro caratteristiche spettrali. Oggetti come riflettono o emettono energia: Riflettività ed Emissività.

Telerilevamento

(in inglese Remote Sensing) è una disciplina scientifica che permette di ricavare informazioni, qualitative e quantitative, su oggetti posti a distanza e sull'ambiente circostante sulla base di misure di energia elettromagnetica emessa, riflessa o trasmessa, che interagisce con le superfici di interesse.

Telerilevamento perché avviene ad una certa distanza, c’è un sensore che rappresenta caratteristiche metriche e spettrali ed è lontano.

Dobbiamo definire la distanza alla quale acquisiamo i dati. Dati da satellite: distanza dell’ordine di almeno un migliaio di chilometri, sporadicamente da aerei.

Geometria della presa: come vengono prese queste immagini. Nell’ambito del telerilevamento ci sta anche l’occhio. Oltre l’arcobaleno, alla scoperta della terra.

Studio e analisi di un fenomeno

Lo studio e l'analisi di un fenomeno o di una superficie effettuati con tecniche di telerilevamento prevedono tre fasi distinte:

• Acquisizione dei dati mediante ripresa da aereo, da satellite o da terra;
• Elaborazione dei dati;
• Interpretazione e uso dei dati.

Strumenti di rilevamento

- Forniscono delle misure singole, come radiometri, spettrometri, scatterometri o altri;

- Forniscono delle immagini (insiemi di misure), come tubi convertitori di spettro, dispositivi a scansione veloce e lenta, macchine fotografiche, termocamere. Tutti gli strumenti → sensori.

Il significato include diverse funzioni: raccolta della radiazione, trasduzione, controllo, registrazione, riproduzione, trasmissione.

Distinzione tra strumenti

• Strumenti passivi: misurano le radiazioni, siano esse emesse o riflesse, provenienti dalle superfici investigate;
• Strumenti attivi: provvedono all'illuminazione delle superfici, captando poi la radiazione di ritorno.

Multistazione

Possibilità di osservare lo stesso fenomeno da punti di vista diversi (spettrali, spaziali e geometrici).

Tecniche di telerilevamento

• Osservatore → posto in una condizione insolita.
• Carattere sinottico delle informazioni → ricoprire vaste porzioni del territorio in maniera uniforme. Inoltre misure e osservazioni coerenti tra di loro, ed effettuate in forma numerica (facilitazione manipolazione e trattamento);
• Rapidità di accesso all'informazione → possibilità di raggiungere l'utente in tempo reale;
• Visione multispettrale e multitemporale → dati multipli e ripetitività nel tempo dei rilievi;
• Non esiste un "diritto" spaziale planetario → fuori dell'atmosfera tutti possono fare tutto.

Approccio multidisciplinare

Telerilevamento → approccio multidisciplinare. Uno strumento per misurare l'ambiente.

Processo del telerilevamento

1. Sorgente di energia. Naturale → Sole che illumina la Terra o Terra stessa, sia perché riflette parte dell'energia solare, sia perché emette, ad esempio, radiazioni termiche, o può essere artificiale, come la luce di un flash o i segnali a microonde prodotti da un radar. Caratteristiche della sorgente → aspetti fondamentali del Telerilevamento.
2. Interazione con la superficie terrestre. Quantità e caratteristiche della radiazione riflessa o emessa dalla Terra → funzione energie in gioco e caratteristiche degli oggetti.
3. Interazione con l'atmosfera. Radiazioni elettromagnetiche → viaggiano interagiscono con atmosfera (molecole gassose, particelle sospese e aerosol) → modificazioni e distorsioni. Esempio: diffusione atmosferica (o scattering).
4. Sensori e rivelatori. Semplici → fotografici (emulsioni delle pellicole). Sofisticati → tipo otticoelettronico (sensori e rivelatori). Ad ogni tipo compete un particolare campo d'azione e di sensibilità all'interno della vasta gamma delle radiazioni elettromagnetiche dello spettro.
5. Processo di elaborazione e interpretazione. Capacità di produrre macchine e sistemi in grado di elaborare la grande massa di dati che vengono continuamente acquisiti e di sviluppare metodologie e modelli interpretativi dalle informazioni.

Schema di base per la comprensione di un processo complesso di osservazione e misura dell'ambiente. Le sorgenti naturali di energia sono il Sole, S1, e la Terra, S2, mentre l'antenna S3 è la sorgente artificiale. I rivelatori o sensori, R, raccolgono le informazioni portate dalle radiazioni elettromagnetiche, che possono essere utilizzate dall'uomo per studiare i suoi interventi sull'ambiente.

Noi ci occuperemo di satelliti che hanno E.O. (Earth Observation). L’energia del sole agisce sull’atmosfera e giunge sulla superficie terrestre, nel punto S2.

Lezione 12/04/2019

Riassunto lezione precedente:

Telerilevamento

• Rilevamento di natura metrica, posizione di punti sulla superficie di riferimento.
• Rilevamento di natura spettrale, definire le modalità con le quali le differenti superfici ricevono o emettono energia elettromagnetica.

Presa: Piattaforma perpendicolare alla superficie. Dati di tipo multispettrale.

Spettro elettromagnetico

Trasferimento dell’energia elettromagnetica → proprietà di un’onda sia di corpuscoli elementari. Energia raggiante → onda armonica che si propaga nello spazio due campi di forza ortogonali tra loro:

• Elettrico E: intensità varia continuamente secondo la direzione di propagazione x;
• Magnetico H.

Il campo elettromagnetico è perpendicolare al campo elettrico. Nel telerilevamento si utilizza l’unità di misura legata alla lunghezza d’onda. Onda → modello per rappresentare e spiegare meccanismi interazione energia-materia (scala macroscopica).

Onda definita da tre parametri:

• Lunghezza d’onda λ (μm): distanza che separa due creste consecutive,
• Frequenza v (Hz): numero di picchi d’onda che passano da un dato punto in un certo intervallo di tempo,
• Ampiezza A (W m μm): altezza di ogni picco e quindi all’intensità massima di E. Espressa in termini di energia.

Possiamo passare agilmente da lunghezza d’onda a frequenza attraverso la relazione con la velocità della luce.

La disposizione mutua dei due campi dà luogo alla polarizzazione. Onda elettromagnetica: quando trasmessa all’interno di un preciso piano di vibrazione → polarizzata (piani di polarizzazione sono infiniti).

Generalmente abbiamo 3 disposizioni:

• Polarizzazione orizzontale: campi perpendicolari (vettore E perpendicolare p. incidenza);
• Polarizzazione verticale: campi complanari (vettore E nel piano di incidenza);
• Polarizzazione casuale: campi in posizione qualsiasi e con la risultante possiamo calcolare la polarizzazione.

La disposizione mutua dei campi cambia nel tempo. La polarizzazione è un fenomeno di particolare importanza e può essere considerato un elemento diagnostico in telerilevamento. Prove in acqua, stessa lunghezza d’onda, comportamenti differenti:

• Polarizzazione verticale veniva tutta assorbita;
• Polarizzazione orizzontale veniva riflessa.

Tipi di sensori

- Passivi: necessitano di una fonte esterna di energia elettromagnetica.

- Attivi: non necessitano di una fonte di energia esterna.

Per la maggior parte del corso ci occupiamo di sensori passivi, tipo radar. Quando parliamo di sensori passivi la polarizzazione non comporta un problema per noi, mentre per quelli attivi sì.

Schema dello spettro elettromagnetico

Spettro elettromagnetico → distribuzione monodimensionale continua dell’energia elettromagnetica ordinata normalmente per lunghezze d’onda λ crescenti. Non esistono lunghezze d’onda nulla, quindi l’origine dello spettro non può essere 0 ma diciamo verso lunghezze d’onda molto piccole. Fine dello spettro elettromagnetico → lunghezza d’onda infinita → corrente elettrica continua.

Se io voglio rappresentare lo spettro elettromagnetico devo considerare due caratteristiche:

• Infinito: comprende lambda piccolissime e grandissime;
• Continuo: si passa da lunghezze d’onda a lunghezza d’onda in modo continuo.

Dobbiamo risolvere questi due problemi.

1. Partendo dal problema dell’infinità: da 0 a 0,2 micron è assorbito dall’atmosfera, l’infinità viene limitata ovviamente tramite i satelliti non ci interessa installare a bordo i sensori a raggi x e raggi gamma perché essi non vengono riflessi dalla terra perché non ci arriva proprio. Quindi partiamo da 0,2 μm (limite inferiore). Lunghezze d’onda lunghe (λ>1 m): onde radio, dell’ordine metrico. Atmosfera trasparente a queste lunghezze d’onda, ma il problema è che il sole emette poca energia nelle onde radio, mentre ci sono molte sorgenti sulla terra che emettono di qualche ordine maggiore di quelle del sole. Ciò comporta che se io montassi sensori per queste lunghezze d’onda io non registrerei quello riflesso dalla terra, ma quello generato da queste sorgenti artificiali. Rumore maggiore del segnale!

Quindi:

SPETTRO COMPRESO TRA 0,2 μm e 1 m. Problema dell’infinità limitato!

2. Ora passiamo al problema di continuità. Definiamo degli intervalli delle lunghezze d’onda ed assegnando a questi intervalli dei nomi convenzionali. Intervalli con significato fisico. Intervalli → Bande spettrali.

Rappresentazione spettro elettromagnetico. Fino a raggi x, assorbiti completamente dall’atmosfera! Da lì in poi ci sarà una certa trasmissività:

• 0,2-0,4 μm Ultravioletto UV - UVA sta tra 0,2-0,3 μm (fino a poco tempo fa erano completamente assorbiti dall’atmosfera dalle particelle di ozono) - UVB sta tra 0,3-0,4 μm. Questo tipo di raggi sono dannosi per lunghe esposizioni. Quando prenderemo le immagini questi raggi creano dei problemi.
• 0,4-0,7 μm Visibile VIS - Blu 0,4-0,5 μm - Verde 0,5-0,6 μm - Rosso 0,6-0,7 μm. Campo in cui è sensibile in nostro occhio.
• 0.7 – 12,5 μm Infrarosso - Infrarosso vicino (NIR) 0,7 – 1,2 μm - Infrarosso medio (MIR) 1,2 - 6 μm - Infrarosso Termico (TIR) 6 – 12,5 μm.
• 1-100 cm Microonde. Essa è ripartita in altre sottobande. Banda del visibile: Infrarosso: Mircoonde (1 cm - 1 m): Blu: 0.4 - 0.5 micron Infrarosso vicino: 0.7 - 1.2 micron Verde: 0.5 - 0.6 micron Infrarosso medio: 1.2 - 6 micron Rosso: 0.6 - 0.7 micron Infrarosso termico: 6 - 12.5 micron.

Lo spettro elettromagnetico

Considerando:

• Distribuzione dell’energia in funzione della lunghezza d’onda;
• Diversi meccanismi di interazione con la materia;
• Caratteristiche di trasparenza atmosferica;
• Progettazione strumentale.

Divisione dello spettro utile concettualmente diviso in due finestre principali:

• Finestra ottica: che va da circa 0.2 μm a 20 λm di lunghezza d’onda dove l’energia studiata è di tipo riflesso o emesso in forma naturale dalle superfici;
• Finestra radar: che viene individuata nell’intervallo sub-centimetrico compreso tra 0.2 cm e 100 cm di lunghezza d’onda dove l’energia studiata viene solitamente attivata in maniera artificiale.

Superficie (atmosferica o terrestre)

Cosa succede quando energia incide su superficie?

• Er: energia riflessa
• Ea: energia assorbita
• Et: energia trasmessa

L’energia totale incidente è data da: Er + Ea + Et. Quindi introduciamo una normalizzazione e coefficienti:

Coefficiente di riflettività, assorbività, trasmissività = Er, Ea, Et.

Quindi abbiamo la relazione 1 = Er + Ea + Et. Questi tre coefficienti sono funzioni di lambda lunghezza d’onda, quindi variamo nelle diverse lunghezze d’onda.

Finestre atmosferiche

Sull’asse delle ascisse ci sono le lunghezze d’onda. Sulle ordinate: energia, ma in realtà metteremo ε che è il coefficiente di emissività. Quando tende ad uno il corpo emette molta energia.

Ricavato utilizzando l’equazione di Planck (legge di emissività per corpi neri).

Secondo grafico: indica come varia il τ atmosferico nelle varie lunghezze d’onda. Le zone bianche caratterizzate dai picchi sono le finestre atmosferiche, sono parti dell’atmosfera in cui l’energia passa. Prima parte del grafico, tau nullo, non passa niente, poi il tau inizia a non essere nullo da 0,2 in poi. Notiamo inoltre che tutta l’energia del visibile attraversa gli strati atmosferici. Alcune finestre sono nel microonde, nell’infrarosso vicino ed alcune nell’infrarosso medio. Da 1 cm in poi il τ atmosferico è unitario, l’atmosfera è trasparente! Le finestre atmosferiche sono importanti perché io avrò cura di montare sensori nel campo in cui ci sono le finestre atmosferiche.

Primo grafico: al posto di energia ci sarebbe il coefficiente di emissività ε. Se esso è 0 non emette, se 1 emette al massimo. Questo coefficiente viene ricavato dall’equazione di Planck. Essa è la prima equazione che formalizza l’emissività dei corpi neri. Il sole non emette uguale radiazione in tutte le lunghezze d’onda. Il sole emette la massima quantità di energia nel visibile, in una particolare lunghezza d’onda, in una particolare cromatica 0,55 micron: dominante gialla. Picco dell’emissività della terra: 12,5 micron. Ed in quella zona abbiamo una finestra termica, quindi questo è uno dei maggiori problemi del surriscaldamento. L’energia dissipata dalla terra è emesso in questa lunghezza d’onda.

Radiometria e Fotometria

Le misure della radiazione elettromagnetica, emessa dal sole o dall’ambiente oppure riflessa dalle superfici o trasmessa attraverso un mezzo (acqua, aria o anche un vetro) ed eseguite dai sensori, dipendono da quattro fattori:

• Tempo di integrazione Δt (tempo di esposizione), maggiore il tempo di integrazione, maggiore la quantità di radiazione raccolta;
• Area ΔA della porzione di superficie inquadrata dal sensore;
• Angolo solido Δω, entro il quale il sensore raccoglie la radiazione (apertura del sensore);
• Intervallo spettrale Δλ di funzionamento del sensore (banda spettrale).

Spiegazione libro:

• Il tempo Δt necessario per catturare la quantità finita di radiazione, detto anche tempo di integrazione del sensore. Maggiore il tempo di integrazione, maggiore la quantità di radiazione raccolta;
• L'area ΔA della porzione di superficie inquadrata dal sensore. Maggiore la dimensione dell’area osservata, maggiore la quantità di radiazione raccolta;
• L'angolo solido Δω entro il quale il sensore raccoglie la radiazione, detto anche apertura del sensore. Più ampio è l’angolo, maggiore la quantità di radiazione raccolta;
• L'intervallo spettrale Δλ di funzionamento del sensore, detto anche banda spettrale. Più ampia è la banda spettrale, maggiore ancora una volta la quantità di radiazione raccolta dal sensore.

Il secondo e il quarto sono i più importanti. L’energia che giunge al sensore dipende anche dall’intervallo di lunghezze d’onda considerato. Grandezze fisiche misura di radiazione elettromagnetica → grandezze radiometriche e di radiometria. Misure riguardano solo la parte visibile dello spettro → grandezze fotometriche e di fotometria.

Grandezze radiometriche

1. Energia radiante [J]: Poco utilizzata nel telerilevamento ma grandezza radiometrica fondamentale. Energia trasportata dalle onde elettromagnetiche, detta anche radiazione elettromagnetica. Trasferimenti di energia no continui → avvengono per quantità discrete sotto forma di pacchetti d’onda detti quanti, o fotoni, la cui energia elementare q è data dalla relazione:

Con h (quanto d’azione) = costante di Planck (h=6.6256 X 10^-34 joule sec). Quantità di energia → legata in maniera inversa alla lunghezza d’onda. Per cui le radiazioni ad onde corte ri...