3,7 M pdf - Dipartimento di Informatica e Sistemistica

Nazzareno Pierdicca
docente corso Telerilevamento e Diagnostica Elettromagnetica
Dipartimento Ingegneria Elettronica - Univ. “La Sapienza” di Roma
tel.: 06-44585411 E-mail: [email protected]
I moduli sulla Osservazione della Terra
Gio 21 marzo:
• Aspetti introduttivi. N. Pierdicca,
Univ. La Sapienza di Roma
• Rischio incendi. G. Sylos Labini,
Planetek
Ven 22 marzo:
• Missioni e dati. M. Fea,
ESA/ESRIN
• Precipitazioni. F.S. Marzano,
Univ. L’Aquila
Sab 23 marzo:
• Rischio inondazioni, instabilità. P.
Cecamore, Telespazio
Lun 15 aprile:
• Regione Lombardia
Contenuti del modulo introduttivo
• Introduzione
• Lo spettro elettromagnetico
• Le quantità misurate ed i principi fisici
• Principi funzionamento sensori
• Le informazioni nei dati telerilevati
• I passi di elaborazione dei dati e gli strumenti
Il telerilevamento: introduzione
• Il telerilevamento è la tecnica
che fornisce informazioni
sull’ambiente senza entrare
in contatto con esso
• I sensori misurano la
radiazione e.m. che ha
interagito con l'oggetto
(emissione, diffusione,
assorbimento, ecc.)
• I sensori di telerilevamento
sono ospitati da piattaforme
aerospaziale o terrestri
• Il telerilevamento dallo
spazio nasce con le foto della
Terra da Apollo 6
Il telerilevamento spaziale
• Si sta concependo un insieme
di missioni che misurano
molteplici componenti/processi
del “Sistema Terra”
• Fornisce dati per lo studio su
scala globale ma, recentemente,
anche rilievi a media/grande
scala
• Fornisce rappresentazioni del
territorio raster (immagini,
DEM), mappe di parametri
geofisici in supporto a modelli
ambientali, classificazioni di
uso del suolo fruibili in un GIS
• Offre una visione sinottica
(grandi estensioni di
territorio in poco tempo)
dipendente dalla
configurazione orbitale
Principali applicazioni del telerilevamento
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Atmosfera: composizione, profili meteo, precipitazioni, vento, input
modelli forecasting/nowcasting.
Oceano, attività in mare, aree costiere: circolazione, onde, livello del
mare, temperatura, biologia marina, inquinamento.
Glaciologia: tipologia e movimenti dei ghiacci marini e terrestri
Geologia, geomorfologia, geodesia: faglie e anomalie, movimenti
tettonici, instabilità pendii, identificazione tipi di roccia
Climatologia: comprensione processi climatici, desertificazione
Topografia e cartografia: DEM, carte di base e tematiche
Agricoltura, foreste, botanica: mappatura, stato fenologico e di
salute, umidità, stima di produzione, indicazioni colturali.
Idrologia e idrogeologia: risorse idriche, precipitazioni, input modelli
di run-off, evapotraspirazione, erodibilità dei suoli
Previsione e controllo eventi catastrofici, valutazione di rischi:
incendi, alluvioni, instabilità, controllo zone inaccessibili
Gestione del territorio: inventari risorse. supporto alla pianificazione,
valutazione impatto ambientale
Orbite e coperture della superficie terrestre
Orbite geostazionarie:
geostazionarie 36000 km
Orbite quasi polari:
polari 600-800 km
Copertura giornaliera orbita
quasi polare e conseguente
ripetitività
I punti di vista: satellite geostazionario
I punti di vista: satelliti high resolution
Costellazioni di satelliti
• Copertura satellite singolo
• Copertura costellazione
Lo spettro elettromagnetico
Banda
P
L
S
C
X
Banda
lunghezza
d'onda
Ultravioletto
3 nm - 0.4 µm
Visibile (VIS)
0.4 - 0.7 µm
Infrarosso
0.7 - 300 µm
Infr. vicino (NIR)
0.7 - 1.3 µm
Infr. medio (MIR)
1.7 - 4.2 µm
Infr. Termico (TIR)
8 - 14 µm
Infr. lontano
14 µm - 1 mm
Microonde
0.3 - 300 cm
frequenza
0.3 - 1 GHz
1 - 2 GHz
2 - 4 GHz
4 - 8 GHz
8 - 12.5 GHz
lungh. d'onda
30 - 100 cm
15 - 30 cm
7.5 - 15 cm
3.75 - 7.5 cm
2.4 - 3.75 cm
Trasmittanza e finestre atmosferiche
Radianza ed emissione termica
Radianza spettrale emessa o
ricevuta da una superficie
d 2W
d 2W
Lλ (ϑ , φ ) =
=
dΩdAapp dλ dΩdA cos ϑdλ
dA
dΩ
Radianza emessa dalla superficie di un Corpo
Nero (CN) a temperatura T (legge di Plank)
LλCN =
2hc
2
1
λ5 e hc λkT − 1
σT 4
LCN =
π
Radianza emessa da un corpo reale a temperatura
T (emissività e, temperatura di corpo nero TB
Lλ (ϑ , ϕ , T ) = e(ϑ , ϕ , λ , T ) LλCN (T ) = LCN (TB )
L’emissione di corpi a diverse temperature
Parametri di interazione della superficie
a(ϑi , ϕ i ) =
dWa
dWa
=
dWi dA ⋅ E (ϑi , ϕ i )
dWt
dWt
t (ϑi , ϕ i ) =
==
dWi
dA ⋅ E (ϑi , ϕ i )
w(ϑi , ϕ i ) =
dWs
M
=
dWi E (ϑi , ϕ i )
Assorbanza a
trasmittanza t
albedo superficiale w
(riflettività)
Per la conservazione
energia:
a = 1− w − γ
dA
Fig.12
T[K]
Legge di Kirchoff
Lega l’emissività e di una superficie di un mezzo
indefinito dissipativo alla sua assorbività a (in
equilibrio termodinamico)
dΩi
dΩs
e = a = 1− w
Nota:
• Un corpo buon emettitore è anche buon assorbitore
• Una corpo molto riflettente è cattivo emettitore /
assorbitore
Telerilevamento quantitativo
Trasferimento
radiativo
Et=t(rEi+Ee)+Ea'
Ei=tEs+Ea
Es: radiazione sorgente (es. sole)
Ea: "
atmosfera (down)
Ea': "
atmosfera (up)
Ee: "
emessa da superficie
Ei: "
incidente su superficie
t: % trasmessa dall'atmosfera
r: % riflessa dalla superficie
Fattori utente caratterizzanti missione TLR
• Fattori geometrici
– Risoluzione geometrica
– Copertura / campo di vista (swath)
– Accuratezza geometrica (relativa o assoluta)
• Fattori spettrali
– Risoluzione spettrale
– Numero di canali spettrali
• Fattori radiometrici
– Risoluzione radiometrica
– Range dinamico ed accuratezza radiometrica
• Risoluzione temporale (ripetitività)
• Fattori operativi
– Tempo di acquisizione dato dalla richiesta
– Tempo disponibilità dato (dall’acquisizione o dalla richiesta)
– Supporto all’utente
• Fattori economici (costo dei dati)
Risoluzioni sistema TLR
• RISOLUZIONE GEOMETRICA
– Minima distanza tra due punti distinguibili (in m, deg)
– Dipende da sensore (ottica, rivelatori, antenne) e quota
piattaforma
• RISOLUZIONE RADIOMETRICA
– Minima variazione di segnale distinguibile (dal rumore) (∆T in
K, ∆R in wst-1m-2Hz-1, ∆σ° in dB)
– Dipende principalmente da sensore (rapporto S/N)
• RISOLUZIONE SPETTRALE
– Larghezza della banda a cui è sensibile il sensore (∆f in Hz, ∆λ
in µm)
– Dipende principalmente da sensore
• RISOLUZIONE TEMPORALE
– Tempo tra due osservazioni medesimo punto (in giorni)
– Dipende da piattaforma (es. orbita)
Confronto tra risoluzioni: 1, 3 e 10 metri
Sorgenti, sensori, piattaforme
•
Sorgenti principali della radiazione
– Sole
– Oggetto osservato (radiazione emessa termicamente dall'oggetto)
– Sensore (tecniche attive)
•
Sensori
– Attivi: ricevitori+trasmettitori, dotati di sorgente propria (misurano le
proprietà di trasmissione, riflessione e diffusione da parte dell'oggetto)
– Passivi o radiometri: ricevitori, privi di sorgente propria (misurano le
proprietà di emissione dell'oggetto ovvero quelle di trasmissione,
riflessione e diffusione nel caso di presenza di altra sorgente come il
Sole)
•
Piattaforme
– Terrestre: copertura limitata, elevata frequenza temporale, ricerca e
sviluppo
– Aerea: copertura media, elevata flessibilità, ricerca e sviluppo
– Spaziale: vista sinottica di aree molto vaste, regolarità di ripresa
Sensori passivi ed attivi
PASSIVE SENSOR
ACTIVE SENSOR
transmitting
antenna
receiving
antenna
receiving
antenna
IR and MW: emission, temperature
VIS NIR: reflectivity, scattering coeff.
Reflectivity, scattering coefficients
Principio sistemi ottici
Immagine
Otturatore
Lente
Lungh.
focale
Obiettivo
Diaframma
Lungh. focale [mm]
SCALA =
Quota [km] x 1000
Oggetto
Risol. geometrica sensori elettro-ottici
• IFOV:
IFOV Instantaneous Field Of View;
• EIFOV:
EIFOV Effective IFOV
D=Dim. detector
F= Lungh.
focale
Telescopio
Linear IFOV=HD/F
Ang. IFOV
H=Quota
EIFOV>IFOV
Linear IFOV
EIFOV
Tecniche di scansione
Ottica
Rivelatore
Array (o matrice) di
rivelatori
Specchio
oscillante
Ottica
Movimento
piattaforma
Movimento
piattaforma
Direzione
scansione
SCANSIONE MECCANICA
– Elevato campo di vista
– Infrarosso
SCANSIONE PUSHBROOM
– Migliore risoluzione geometrica
– Fedeltà geometrica
Sensori multispettrali
LE TECNICHE
•
•
Elementi disperisivi (filtri, griglie dispersive
Filtri ad interferenza ed ad assorbimento
ESEMPI
Banda 2
Specchio
Beam
splitter
Banda 3
Banda 1
Array di
detector
Specchio
Prisma
dispersivo
Modalità di ripresa (EROS A-B)
Satellite Ground Track
Per gentile concessione di Informatica per il Territorio S.r.l.
Modalità di ripresa asincrona (EROS A-B)
SATELLITE ORBIT
SATELLITE GROUND TRACK
SWATH
OBSERVATION TIME
Per gentile concessione di Informatica per il Territorio S.r.l.
Principio radiometro a microonde
RF
amplifier
X
IF
amplifier
Receiver
Integrator
Calibrator
Antenna
L= Dimensione antenna
H
Recorder
•
•
Apparent
brightness
temperature
Linear IFOV=Hλ/L
MISURA Radianza
emessa (da superficie
terrestre e atmosfera)
DIPENDE DA
Temperatura terreno
ed atmosfera,
proprieta' emissive
(umidita’, rugosita',
etc.)
Schema base del radar
TRASMETTITORE
ANTENNA
OSCILL.
BERSAGLIO
SWITCH
RICEVITORE
ELABORATORE
Display
Registratore
Il radar d’immagine (SLAR, SAR)
d irezion e
al ong track
ant en na
sla nt
rang e
a
g
d irezion e
accross track
risoluzione
s
s
g
a
= cτ/2
= cτ/2sinθ
= Rλ /D
Principio dell’antenna sintetica (SAR)
•
Sfruttando il movimento della piattaforma si ricostruisce l’eco radar di
un’antenna sintetica (L) molto più lunga dell’antenna reale (D)
•
La risoluzione lungo la traccia (in azimuth) è determinata dall’antenna
sintetica: ρ≈D/2
Registratore
velocita' aereo
immagine alta
risoluzione
Elaboratore a
terra
Generico bersaglio
L = lunghezza apertura
sintetica
Geometria osservazione SAR
•
Risoluzione in range
⇒ banda impulso
ρr=c/2B
•
Risoluzione in azimuth ⇒
lunghezza apertura sintetica
ρα=Nlook
* D/2
Telerilevamento ottico VIS e Near IR
• Alle frequenze ottiche VIS e
Near IR si misura la radiazione
riflessa (da superficie, nubi,
etc)
• Dipende da
illuminazione,
direzione
osservazione,
assorbimenti,
morfologia
Radiazione solare e finestre atmosferiche
Informazioni “primarie” nei dati VIS, N-IR
• Vegetazione
– Assorbimento clorofilla (VIS) (stato vegetazione)
– Assorbimento acqua (N-IR: 1.4 e 1.9 µm) (stress idrico)
– Diffusione Near-IR (biomassa)
• Superficie marina/acque
– Assorbimenti clorofilla e pigmenti (VIS: 0.44 e 0.52 µm)
– Diffusione sedimenti (VIS: 0.7-0.8 µm)
• Suoli e roccie
– Assorbimenti dipendenti dalla composizione (rilevabili con
sensori iperspettrali)
• Atmosfera
– Diffusione nubi (dipendente da spessore) e areosol
• Rappresentazione cartografica (es. VIS-PAN)
• DEM da coppie stereo
Informazioni “primarie” nei dati Th-IR
• Superficie terrestre
– Temperatura
– Effetti emissività (es. SI-O2 nelle roccie)
• Superficie marina/acque
– Temperatura (emissività unitaria)
• Atmosfera
– Temperatura nubi
Informazioni “primarie” dati a microonde
SENSORI PASSIVI (Radiometro)
•
•
MISURANO Radianza emessa (da
superficie terrestre e atmosfera)
DIPENDE DA Temperatura terreno ed
atmosfera, proprieta' emissive
(umidita’, rugosita', etc.)
SENSORI ATTIVI (RADAR)
•
•
MISURANO reirradiazione da
superficie terrestre e atmosfera, altre
proprieta’ eco radar (ritardo, forma,
fase, etc.)
DIPENDE DA proprietà dielettriche
(umidita’) e struttura geometrica
ovvero rugosita' superficiale a scala
centimetrica (componenti
vegetazione, pioggia, etc.), rugosità
a scala decametrica (rilievi)
f = c/λ
f: frequenza
λ: lungh. d’onda
Retrodiffusione radar e polarizzazione
Trasmissione
HoV
• Il radar misura le proprietà di
retrodiffusione
• si possono avere diverse
combinazioni di polarizzazione
HH, VV, HV (o VH)
Polarizzazione onda (in
trasmissione e in ricezione)
Ricezione
HoV
Caso verticale
Caratteristiche immagini radar
•
TONO
– Descrive le proprieta' di reirradiazione superficie terrestre e marina.
– Influenzato da effetti della pendenza locale, rugosità,umidità, etc.
• "layover”
• ombre
•
TESSITURA
– Oltre alla tessitura propria della scena presente granulosita' (effetto
“sale e pepe”) caratteristica di sistemi coerenti denominata "speckle"
•
GEOMETRIA
– In assenza di adeguate correzioni, presenti deformazioni caratteristiche
della tecnica di ripresa (risoluzione in distanza), particolarmente in
presenza di rilievi
• deformazione “slant range-ground range” (peggioramento della
risoluzione dal “far range” al “near range”)
• “foreshortening” (avvicinamento verso il sensore dei punti piu'
elevati)
Fattori influenzanti la risposta radar
nte
ide
inc
•
essa
trasm
onda
•
PROFONDITA' DI
PENETRAZIONE
Influenzata dal
contenuto di
umidita'
da
on
•
RUGOSITA'
SUPERFICIALE. In
relazione alla
frequenza
dell'onda
superf. liscia
•
RIFLESSIONI
SPECULARI
EFFETTI DI
VOLUME
superf. rugosa
L’informazione nel SAR: contenuto d’acqua
A: Suolo irrigato
B: Suolo non irrigato
L’informazione SAR: effetti strutturali
• Ridges and valleys that
trend N 30° E are strongly
enhanced in the N 60° E
image
• Similar features illuminated
from the N 30° E direction
are emphasized if their
linear orientations trend N
60° E.
• Illumination should be
perpendicular to the
trend that stands out.
• In airborne radar
imagery we can chose
flight line directions to
underscore and
accentuate certain
directions of interest
Informazioni nella fase: Interferometria SAR
• Radargrammetria
• Interferometria (I-SAR)
assoluta e differenziale
∆R
R1
R2
∆Φ : Differenza di fase (modulo 2π)
Generazione di DEM
• Stereoscopia (coppie di immagini ottiche)
• Radargrammetria (coppie di immagini SAR)
• Interferometria assoluta (dati SAR in ampiezza e
fase)
Multiple pass interferometry: il caso ERS
•
ERS-1/2 tandem mission:
optimal baseline, minimum
time decorrelation (1 day)