Telerilevamento

Telerilevamento

Il telerilevamento è una disciplina che si occupa di rilevare dati quali temperatura, configurazione e altre informazioni che permettono di descrivere lo stato di salute di un ambiente. Questi dati vengono acquisiti attraverso dei sensori, particolari dispositivi che permettono di captare le radiazioni e di convertirle in un segnale elettrico e di convertire tale segnale in un valore numerico.

L'energia elettromagnetica è argomento di studio fondamentale nel telerilevamento perché grazie ad essa l'uomo è in grado di allargare il suo campo visivo. L'energia elettromagnetica in movimento è detta radiazione elettromagnetica e si muove a velocità della luce. L'insieme di tutte le onde elettromagnetiche è detto spettro elettromagnetico.

Questo spettro è diviso in varie bande: quella del visibile che va dai 0,4 a 0,7 micron, quella dei raggi X, gamma e ultravioletti a frequenza maggiore, e quella degli infrarossi e onde radio a frequenza minore. Ad occhi nudo l'uomo può vedere solo le cose contenute nel visibile.

Studio dell'energia elettromagnetica

Lo studio dell'energia elettromagnetica è stato effettuato su due corpi fondamentali in fisica: i corpi neri, cioè corpi con superficie totalmente nera capace di assorbire energia incidente e di rendere nulla la riflessione, e su corpi reali, cioè corpi che riescono ad assorbire energia incidente ma riescono anche a riflettere una parte di essa. Per trovare l'energia emessa da questi corpi occorre moltiplicare un indice di emissività, sempre < 1, per una delle leggi di materia di studio del telerilevamento.

• Legge di Kirchhoff: tale legge afferma che l'energia trasmessa da una sorgente e che colpisce un corpo viene divisa in tre parti: riflessa, assorbita e trasmessa. La somma di questi tre fattori fornisce l'energia incidente. L'energia che un corpo emette non è solo quella riflessa; parliamo di emittanza quando un corpo viene colpito da energia incidente e una parte di questa la riflette e una parte l'assorbe provocando un riscaldamento. Quindi il corpo emette due energie: quella riflessa e quella di riscaldamento. Il totale di queste due energie è proprio l'emittanza.
• Legge di Planck: permette di trovare l'energia emessa per unità di superficie ad una certa temperatura e lunghezza d'onda.
• Legge di Wien: permette di trovare la lunghezza d'onda in cui si verifica l'emissione massima di energia e a che temperatura avviene. Maggiore sarà la temperatura, minore sarà la lunghezza d'onda.

Propagazione dell'energia elettromagnetica

Le radiazioni e quindi l'energia elettromagnetica si propagano dal sorgente al corpo attraverso l'atmosfera. Il propagarsi dell'energia elettromagnetica può avvenire per riflessione e assorbimento.

La riflessione avviene quando l'energia incidente che colpisce il corpo viene riflessa in tutte le direzioni. L'energia riflessa che riesce a raggiungere e penetrare il sensore è detta energia trasmessa. La diffusione atmosferica è anche detta scattering; a volte lo scattering può provocare diversi disturbi nelle foto telerilevate in quanto può presentarsi il famoso effetto foschia proprio perché la luce è riflessa in tutte le direzioni. Questo effetto è visibile solo nella banda del visibile.

Meccanismi di diffusione atmosferica

• Diffusione di Rayleigh: avviene quando le dimensioni delle particelle colpite sono minori della lunghezza d'onda delle radiazioni che le colpiscono. Questo è causa dell'effetto blu del cielo.
• Diffusione Mie: avviene quando le dimensioni delle particelle colpite e la lunghezza d'onda delle radiazioni sono uguali. Questo provoca una riflessione a retrodiffusione, cioè la riflessione è fitta nei punti prima che l'energia incidente tocchi il corpo, meno fitta negli altri punti.
• Diffusione non selettiva: avviene quando le dimensioni delle particelle colpite sono maggiori della lunghezza d'onda delle radiazioni. Questo prova l'effetto "bianco" di nuvole e nebbia.

Assorbimento

L'assorbimento avviene quando l'energia trasmessa viene immagazzinata come energia interna, riscalda l'atmosfera e viene poi rilasciata. Nello spettro elettromagnetico vengono definite delle finestre atmosferiche che contengono le regioni in cui le radiazioni sono riuscite a penetrare nell'atmosfera.

Tipologia di sensori

I sensori possono essere classificati in:

• Sensori passivi: sono sensori che riescono ad acquisire dati solo di giorno in quanto sfruttano come sorgente luminosa la luce del sole.
• Sensori attivi: sono sensori che riescono ad acquisire dati sia di notte che di giorno poiché sono dotati di una sorgente di luce artificiale.
• Sensori immagine: sono sensori che forniscono il valore della radianza della superficie rilevata.
• Sensori misuratori: sfruttano l'eco delle radiazioni dei sensori attivi per stabilire la distanza a cui si trova un singolo pixel rapportato alla terra.
• Sensori a scansione: sono sensori che acquisiscono immagini con due tecniche differenti:
  • Scansione meccanica: effettuata da un solo sensore.
  • Scansione pushbroom: l'immagine di una zona viene acquisita con un array di sensori capaci di riprendere una stringa di pixel per volta. Ripetendo la cattura della stessa stringa di pixel più volte si ottiene un'immagine del paesaggio nitida e definita.
• Sensori ottici: acquisiscono immagini nel visibile e nell'infrarosso. In base alla banda di acquisizione si utilizza:
  • Sensore multispettrale: nella banda tra 0,1 e -0,2 micron.
  • Sensore iperspettrale: nella banda minore dei -0,2 micron.
  • Sensore pancromatrico: nella banda tra 0,4 e 0,7 micron. Ovviamente più bassa sarà la banda, maggiore sarà la risoluzione spettrale.
• Sensori fotografi: sensori dotati di camere che effettuano foto in B/N. Sono sensori attivi se dotati di flash, passivi se non ne sono dotati. Il vantaggio di utilizzare questi sensori è che hanno un costo bassissimo ma non sono in grado di acquisire dati di notte in condizioni meteorologiche avverse.
• Sensori thematic mapper: sono sensori che acquisiscono immagini in sette bande differenti, sei in risoluzione 30x30 cm e una in 120x120 cm. In base alla banda di acquisizione questi vengono posti su satelliti o aerei. Se la banda di acquisizione è bassa vengono messi su aerei in quanto banda bassa comporta segnale debole, altrimenti su satelliti.

Il radar

Il radar è un sensore attivo operante nella banda di frequenza delle microonde e che ha la funzionalità di misurare le caratteristiche elettromagnetiche dell’oggetto illuminato da segnali inviati dal radar stesso e la sua distanza. Una parte dell’energia viene riflessa di nuovo in direzione del radar per cui si parla di retrodiffusione. Tale energia viene captata da un’antenna lineare che è la stessa usata in trasmissione; l’antenna viene infine collegata al...