Teoria Elaborazione dei Dati Telerilevati

Appunti di elaborazione dei dati telirilevati

Appunti a cura di Liccardo Giuseppe, riadattati e rielaborati da Giacomo Gargiulo, Università degli Studi di Napoli Parthenope. Per tutte le info o osservazioni: giacomo.gargiulo.made4Core@gmail.com

Capitolo 1. Richiami di telerilevamento

1.1 Introduzione

Il telerilevamento può essere definito come il complesso di metodi per l'elaborazione ed interpretazione di immagini che permettono di ricavare informazioni su oggetti mediante l'osservazione a distanza. La distanza può variare da qualche metro (proximal sensing) fino a migliaia di chilometri (remote sensing). Le informazioni riguarderanno principalmente la configurazione, la temperatura e altre caratteristiche che ci permetteranno di stabilire lo stato di salute dell’oggetto.

Nel telerilevamento la grandezza principalmente misurata è l'energia elettromagnetica emessa o riflessa dalle superfici naturali, tale misurazione prevede un sistema costituito da:

• Sorgente di energia elettromagnetica: può essere o naturale o artificiale.
• Interazione con la superficie terrestre: la quantità e le caratteristiche della radiazione riflessa o emessa dalla Terra dipendono, oltre che dalle energie in gioco, dalle caratteristiche degli oggetti.
• Sensori: strumenti di misurazione della radiazione elettromagnetica.
• Processo di elaborazione e interpretazione: il telerilevamento consente la sorveglianza della salute dell'ambiente ed il controllo del territorio attraverso differenti tipologie di impiego. Queste possono riguardare:
  • L'osservazione dell'atmosfera: individuare la formazione di eventuali uragani.
  • L'osservazione dei mari e degli oceani: tracciamento delle correnti marine.
  • L'osservazione della Terra: monitoraggio delle coste.

1.2 Principi di base

Solitamente i dati telerilevati da trattare sono delle immagini radar composte da pixel. Due concetti fondamentali da tener presente sono la risoluzione radiometrica e la risoluzione geometrica: la radiometrica fornisce il valore numerico di ciascun pixel, la geometrica indica la dimensione del pixel rapportato a terra. Con il telerilevamento, abbiamo un’altra grandezza: la riflettanza. Il valore della riflettanza esprime quanta energia viene riflessa dalla parte di superficie inclusa nel pixel. Inoltre, il valore di questa grandezza risulta essere direttamente proporzionale alla risoluzione radiometrica.

Esempio: se si fotografa da satellite un'immagine con 8 bit in scala di grigi, i pixel con valori radiometrici più alti, quindi di colore più chiaro, sono anche i pixel che riflettono di più la luce proveniente dalla sorgente luminosa. Quindi l’immagine ottenuta sarà caratterizzata dalla capacità delle componenti della superficie terrestre di riflettere o meno la sorgente luminosa. Il telerilevamento presuppone l’esistenza di:

• Una sorgente di energia (o sorgente luminosa), di solito si tratta del sole (sorgente naturale), ma può essere utilizzata anche una sorgente artificiale posta sul satellite stesso (il funzionamento dei radar si basa su sorgenti artificiali).
• Un sensore, posto su satellite o su un aereo, che è uno strumento che cattura l’energia riflessa dalla superficie terrestre. Esso ha la capacità di trasformare l’energia riflessa in un segnale elettrico che a sua volta sarà trasformato in un valore numerico. Ovviamente più alta sarà l’energia riflessa, più alto sarà il segnale elettrico e quindi maggiore sarà il valore numerico. I sensori possono essere di due tipi:
  • Sensori attivi, che sono in grado di emettere energia ed intercettarla;
  • Sensori passivi, che sono in grado solamente di intercettare l’energia riflessa.
• Una stazione a terra che riceverà i dati telerilevati. L'invio dei dati dal satellite (o dall'aereo) verso le stazioni a terra può essere diretto (trasmissione satellite -> stazione) o indiretto dove il satellite è impossibilitato a trasmettere i dati direttamente alla stazione e dunque li trasmette ad un'altra postazione che provvederà a farlo (trasmissione satellite -> satellite -> stazione).

Inoltre, ogni corpo riflette la luce in modo diverso. Questo è dovuto al fatto che ogni corpo ha una natura diversa: ci saranno corpi che assorbono più energia (quindi riflettono meno) e corpi che assorbono meno energia (quindi riflettono di più). Analizzando i diversi valori di riflettanza sarà possibile riconoscere diversi corpi.

1.3 Lo spettro elettromagnetico

Tutte le forme di energia che possono essere intercettate dal telerilevamento sono energie che possono essere spiegate mediante la teoria dell’elettromagnetismo. Nel telerilevamento la grandezza più frequentemente misurata è la radiazione elettromagnetica, che può essere descritta come un'onda piana armonica che si propaga nello spazio consistente in due campi ortogonali fra di loro e rispetto alla direzione di propagazione. Essa viene definita dalla lunghezza d'onda λ (lunghezza d'onda in micron) e dalla frequenza v (in Hertz), il prodotto di queste due grandezze è costante ed è pari alla velocità di propagazione dell'onda: λv = c, dove c è di circa 300000 Km/sec, ossia la velocità della luce nel vuoto.

Le lunghezze d’onda ci permettono di classificare le radiazioni elettromagnetiche in base allo spettro elettromagnetico. Le radiazioni con lunghezza d'onda minore sono gli ultravioletti, i raggi x e i raggi gamma; quelle con lunghezza maggiore (e frequenza minore) sono gli infrarossi, le microonde e le onde radio. È stato detto che lo spettro elettromagnetico viene convenzionalmente suddiviso in varie regioni, o bande spettrali. Nel telerilevamento sono utilizzate le onde della luce visibile, dell’infrarosso e delle microonde. Secondo Maxwell: le onde nella loro propagazione assumono tutte la velocità della luce, in quanto la velocità assunta dalla lunghezza d'onda è data dal rapporto fra Diminuzione (d) della frequenza e il tempo: v = d / t.

1.3.1 Luce visibile (VIS)

Il visibile è la banda percepita dall’occhio umano e va da 0,4 a 0,7 micron. In questo intervallo si differenziano 3 sottointervalli relativi alle lunghezze d’onda dei colori blu, verde e rosso:

• Blu – ha una lunghezza d’onda che va da 0,4 a 0,5 μm.
• Verde – ha una lunghezza d’onda che va da 0,5 a 0,6 μm.
• Rosso – ha una lunghezza d’onda che va 0,6 a 0,7 μm.

1.3.2 Infrarosso

L’infrarosso è la banda che va da 0.7 μm a 1 mm. Viene suddiviso in:

• IR termico vicino (NIR) – da 0,7 a 1,3 μm.
• IR termico medio (MIR) – da 1,3 a 6 μm.
• IR termico lontano (FIR) – oltre 6 μm.

1.4 L’energia e i corpi

L’energia trasmessa dal sole o dai sensori attivi viene divisa in tre aliquote, ossia:

• Una parte viene riflessa (quella che andiamo ad intercettare) verso l'ambiente circostante;
• Una parte viene assorbita;
• Una parte oltrepassa il corpo e va oltre.

L'energia incidente è quindi la risultante della somma di queste tre aliquote. L’energia che andiamo a intercettare è quella riflessa che può avvenire in due modi:

• In modo speculare, dove l’energia viene riflessa in una sola direzione;
• Attraverso lo scattering, dove l’energia viene diffusa secondo diverse direzioni.

La riflettanza è il quantitativo di energia che viene riflesso dal corpo mediante il fenomeno della riflessione. Quando una radiazione colpisce un oggetto, bisogna tenere in considerazione anche la "tipologia" dell'oggetto: la superficie di un oggetto è considerata liscia quando le dimensioni delle sue asperità sono piccole rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione che colpisce l’oggetto; viceversa, la superficie dell’oggetto è considerata rugosa quando le dimensioni delle sue asperità sono grandi rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione. In conclusione, la riflettanza di un corpo rugoso è peggiore rispetto alla riflettanza di un corpo liscio.

Quindi, se una radiazione colpisce un oggetto si hanno 4 reazioni principali:

• La radiazione viene riflessa in modo speculare;
• La radiazione viene riflessa in modo scattering;
• La radiazione viene assorbita dal corpo;
• La radiazione viene trasmessa all’ambiente circostante.

1.5 Firma spettrale

La firma spettrale è sostanzialmente un grafico che ci informa sulle capacità di riflessione di una determinata superficie in funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente. Essa consente l’identificazione e la separazione dei diversi materiali in classi. Supponiamo di voler analizzare vari corpi di natura diversa (campioni), ricavandoci attraverso l’uso di sensori la firma spettrale di ciascuno di essi. Una volta ricavate le firme spettrali, le analizzano in modo tale da poter stabilire la natura di ciascun campione. Per risparmiare tempo, si analizzano solo alcune zone della firma spettrale e non l’intera firma spettrale. Nel caso in cui 2 campioni risultino essere simili tra di loro, allora si vanno ad analizzare le zone in cui la firma spettrale dei due campioni differisce. Inoltre, la firma spettrale non è identica per due campioni dello stesso corpo, ad esempio la firma spettrale di un pino giovane è diversa dalla firma spettrale di un pino anziano.

Le firme spettrali dell’acqua, della vegetazione e del suolo, tenendo presente che sulle ascisse ci sono le lunghezze d’onda e sulle ordinate c’è la percentuale di riflettanza: Se si vuole distinguere un elemento di acqua da uno di vegetazione basta controllare la banda dell’infrarosso dove l'acqua non riflette mentre la vegetazione ha un picco di riflettanza per questa banda. L’acqua ha una firma spettrale particolare, infatti è definita “il pozzo dell'immagine”, cioè essa ha bassa riflettanza, con dei picchi di riflettanza tra il blu e il verde, con riflettanza praticamente nulla nell’infrarosso. Anche la firma spettrale della vegetazione è particolare. Infatti, quando si va a verificare la firma spettrale nel campo del visibile, vediamo che la riflettanza è bassa, questo perché le piante hanno bisogno di luce e quindi assorbono la radiazione del visibile proprio per la fotosintesi clorofilliana. Dunque la vegetazione riflette tantissimo nell’infrarosso vicino e poco nel visibile. Quindi per essere sicuri che un certo pixel sia di vegetazione basterà verificare che quel pixel riflette tanto nell’infrarosso e poco nel visibile del rosso. Proprio per questo motivo ci saranno dei coefficienti che dovranno evidenziare cosa succede nel rosso e nell’infrarosso in modo da riuscire a riconoscere con altissima probabilità i pixel con della vegetazione.

Capitolo 2. Interazione delle onde elettromagnetiche con la materia

Il telerilevamento si basa sull’iterazione della radiazione elettromagnetica con la materia. In questo capitolo si analizzeranno le leggi fisiche fondamentali che governano l’interazione delle onde elettromagnetiche con la materia.

Ei = Em + Ea + Et -> Ei = ρEi + αEi + τEi -> Ei = Er + Ee

Ei = Energia Incidente; Ea = Energia assorbita; Et = Energia trasmessa; Em = Enerigia riflessa

In questa formula è trascurata la trasparenza, in quanto i corpi trasparenti risultano opachi.

2.1 Legge di Kirchoff

Secondo Kirchoff quando una radiazione elettromagnetica colpisce un corpo, sono possibili tre meccanismi di interazione: riflessione, assorbimento e trasmissione. Andando a dividere l’energia riflessa, l’energia trasmessa o l’energia assorbita con l’energia incidente sul corpo otterremo 3 valori:

1. Riflettanza: Energia riflessa / Energia incidente (ρ = Em / Ei -> coefficiente di riflettanza);
2. Trasmittanza: Energia trasmessa / Energia incidente (α = Et / Ei -> coefficiente di trasmittanza);
3. Assorbanza: Energia assorbita / Energia incidente (τ = Ea / Ei -> coefficiente di assorbanza).

Inoltre, l’albedo è il rapporto tra l’energia riflessa e l’energia incidente in riferimento a tutto lo spettro.

• L'albedo massimo è 1, quando tutta la luce incidente viene riflessa (oggetto bianco);
• L’albedo minimo è 0, quando nessuna frazione della luce viene riflessa (oggetto nero).

Tuttavia, visto che noi non riusciamo a distinguere l’energia trasmessa da un corpo per la riflettanza con l’energia trasmessa dal corpo stesso (in virtù di averla assorbita). In pratica, l’energia emessa da un corpo non è soltanto l’energia riflessa, dunque molto spesso si parla di emittanza cioè andiamo a vedere quant’è il quantitativo di energia che proviene dal corpo senza andar a vedere questa da dove provenga.

Esempio: si consideri un oggetto che riceve energia, nel ricevere energia una parte di questa viene riflessa (riflettanza). Potrebbe succedere che l’oggetto si surriscaldi durante il suo funzionamento, quindi l’energia non è esclusivamente riflessa in quanto una parte è dovuta al surriscaldamento. L'energia emessa "totale" è proprio l'emittanza.

2.2 Legge di Planck

Questa legge ci dice che se io vado a considerare l’energia di una singola particella, questa energia è uguale a: ξ = hv

• h, è quanto d'azione costante di Planck, che vale 6,62517 * 10^-34 W · sec ;
• v, è la frequenza dell’oscillatore che produce la radiazione.

In pratica mi permette di determinare il quantitativo di energia che viene trasportato dalle particelle. Da tali principi Planck ottenne che la radianza spettrale è uguale a:

• λ è la lunghezza d’onda
• T è la temperatura assoluta del corpo
• C₁ = 2πhc² = 3,7415*10^-8 W m^-2 μm
• C₂ = ch/k

Dove k è la costante universale di Boltzmann definita tra l'energia cinetica media di un singolo atomo e la sua temperatura assoluta. La Legge di Planck: permette di determinare quanta energia emette un corpo nero ad una certa temperatura e ad una lunghezza d’onda ben precisa. Questa legge è riferita ad un’unità di superficie quindi, all’aumentare della superficie del corpo, il quantitativo di energia emesso dallo stesso non varia. Ciò che varierà sarà il totale dell’energia. Nel 1921 Planck ipotizzò l'esistenza di corpi estremamente assorbenti.

2.3 Legge di Stefan-Boltzmann

Questa legge è un'estensione della legge di Planck e la si ottiene integrando (da 0 a ∞) la legge di Planck. Essa ci permette di determinare quanta energia emette un corpo nero in tutto lo spettro elettromagnetico (e non solo ad una determinata lunghezza d’onda) ad una temperatura T. Occorre integrare la radiazione spettrale in funzione di λ. Si può dimostrare che è:

Se la temperatura del corpo cambia, cambierà anche il quantitativo di energia emesso dal corpo stesso. Più sinteticamente, Stefan-Boltzmann ha dimostrato che l’energia di un corpo nero è funzione della sua temperatura moltiplicata per una costante sigma: E(T) = σT⁴ dove σ è la costante di Stefan-Boltzmann ed è uguale a (3/2)k*T, dove k = energia cinetica, e T = temperatura assoluta. Legge di Stefan-Boltzmann: permette di determinare quanta energia emette un corpo nero ad una certa temperatura in tutto lo spettro elettromagnetico. In particolare, fissata la temperatura, questo quantitativo di energia è proporzionale alla quarta potenza della temperatura del corpo per la costante sigma. Anche questa legge, è riferita ad un'unità di superficie quindi, all'aumentare della superficie del corpo, il quantitativo di energia emesso dallo stesso non varia. Questa legge rende chiaro il concetto che più aumenta la temperatura di un corpo, maggiore sarà l’energia emessa dal corpo stesso. Esempio "Terra e Sole": il Sole, visto che ha una temperatura più alta della Terra, emetterà più energia.

2.4 Legge di Wien

Questa ci dice che il massimo di emissione in una determinata lunghezza d’onda può essere calcolato mediante la formula seguente: λ = (a / T)

Dunque si può notare che T e λ sono inversamente proporzionali, ovvero la massima emissione si ha ad una lunghezza d'onda che è inversamente proporzionale a T, la temperatura. Legge di Wien: permette di sapere a che lunghezza d’onda si verifica il massimo di emissione di energia ad una determinata temperatura T. Più è alta la temperatura del corpo, minore sarà la lunghezza d’onda dove il corpo emette maggiormente. Esempio "Terra e Sole": la Terra emetterà con una lunghezza d’onda maggiore perché la sua temperatura è più bassa rispetto a quella del Sole.

2.5 Corpi reali

Finora sappiamo che i corpi neri, che sono corpi ideali, in quanto hanno la caratteristica di riflettere completamente la radiazione ricevuta. Il quantitativo di energia che emette un corpo reale è più basso rispetto a quello emesso da un corpo nero. Esiste un coefficiente ε, detto emissività, che risulta essere <1, che permette di ottenere l’energia riflessa da un corpo reale.