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)