CORSO DI FORMAZIONE Dall ottico al radar. Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare Direzione Generale per la Difesa del Suolo

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Graziana Visconti
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1 Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare Direzione Generale per la Difesa del Suolo Fornitura di Dati, Sistemi e Servizi per la Realizzazione del Sistema Informativo del Piano Straordinario di Telerilevamento Ambientale (PST-A) Lotto 2 CORSO DI FORMAZIONE Dall ottico al radar

la Realizzazione del Sistema Informativo del Piano Straordinario di

2 TRE

3 Sommario I vantaggi del telerilevamento satellitare Il telerilevamento satellitare ottico e multi-spettrale Il telerilevamento radar: vantaggi e svantaggi rispetto all ottico Le immagini SAR 3

4 Il Telerilevamento La scienza di ottenere informazioni sulla superficie terrestre attraverso dati acquisiti da satellite La superficie terrestre emana e riflette energia elettromagnetica fornendo informazioni sulle sue proprietà fisiche chimiche e biologiche 4

superficie terrestre emana e riflette energia elettromagnetica

5 I vantaggi del telerilevamento satellitare Le immagini satellitari Visione sinottica del territorio Osservazione ripetuta della terra Aggiornata disponibilità dei dati Applicazioni Meteorologia Desertificazione Deforestazione Frane Alluvioni Terremoti Etc. 5

ripetuta della terra Aggiornata disponibilità dei dati

6 Lo spettro elettromagnetico Insieme continuo delle onde elettromagnetiche ordinate secondo la lunghezza d onda OTTICO INFRAROSSO RADAR I satelliti acquisiscono il segnale a diverse lunghezze d onda secondo le loro caratteristiche spettrali e spaziali

INFRAROSSO RADAR I satelliti acquisiscono il segnale a diverse

7 La risoluzione del dato Risoluzione spaziale Risoluzione temporale : tempo di rivisitazione Risoluzione spettrale: larghezza di banda Analisi a diverse scale di interesse: Regionale, Provinciale, di Bacino SATELLITE Risoluzione spettrale Risoluzione Temporale Risoluzione spaziale GEOEYE-1 Visibile e NIR <3 giorni 0.41x0.41 m OTTICO IKONOS Visibile e NIR 3 giorni 0.82 x 3.2 m AVHRR (NOAA) Visibile e NIR e Termico 6 ore 1.1 x 1.1 km COSMO-SKYMED Microonde (banda X) 16 gg 1x1 m RADAR ENVISAT Microonde (banda C) 35 gg 5x20m ALOS Microonde (banda L) 46 gg 7m 7

spaziale GEOEYE-1 Visibile e NIR <3 giorni 0.41x0.41 m OTTICO IKONOS Visibile e NIR 3 giorni 0.82 x 3.

8 I vantaggi del telerilevamento satellitare: Analisi di cambiamenti su vaste aree 8

9 Vantaggi dei sistemi ottici e NIR 1 alta risoluzione spaziale 2 interpretazione naturale delle immagini IKONOS risoluzione 1 m 9

10 Elevazione da coppie stereo ~10 m dove ci sono elementi ben identificabili sulle immagini Molto peggio su aree uniformi B H x x h P(x,h) P(x,h) x 1 x 2 x x 10

11 ASTER Immagine ASTER del confine USA-Messico in California Immagine ASTER del confine USA-Messico in California (24x30 km) ripresa il 19 Maggio La combinazione di bande nel visibile e nel vicino infrarosso mette in evidenza (rosso) la vegetazione e la netta differenza di uso del suolo nei due Paesi attraversati dal fiume Colorado. 11

La combinazione di bande nel visibile e nel vicino infrarosso mette in evidenza

12 Limiti dei sistemi ottici e NIR 1 - Dove ci sono le nuvole non funziona 2 Di notte non si ha informazione se non nel lontano infrarosso (termico) 3 Non sono in grado di evidenziare piccoli cambiamenti/deformazioni 4 La stereometria ottica produce DEM di scarsa qualità su aree uniformi 12

(termico) 3 Non sono in grado di evidenziare piccoli

13 Il telerilevamento radar Vantaggi rispetto all ottico 1. È un sistema attivo: non ha bisogno di sorgenti esterne come il Sole 2. Opera alla frequenza delle micro-onde che penetrano attraverso nuvole e pioggia 3. È un sistema coerente: consente misure molto precise di variazioni di distanza dal radar per mezzo dell interferometria 13

Opera alla frequenza delle micro-onde che penetrano attraverso nuvole e pioggia 3.

14 Il principio di funzionamento del radar per immagini immagine delle eco radar posizione del radar (azimuth) traiettoria della piattaforma eco radar distanza dal radar (slant range) H R min R max ground range TRE 2009 oggetti a terra14

traiettoria della piattaforma eco radar distanza dal radar

15 La cella di risoluzione azimuth a Immagine radar azimuth r H θ r a: risoluzione in azimuth r: risoluzione in slant-range slant range L immagine radar è formata da una matrice di pixel. Ogni pixel è associato ad una cella di risoluzione. 15 TRE 2009

slant range L immagine radar è formata da una matrice di

16 SAR: Synthetic Aperture Radar 1. La risoluzione in azimuth è tanto migliore quanto più grande è l antenna del radar 2. Per avere una risoluzione di qualche metro da radar satellitari occorrerebbe un antenna lunga alcuni km 3. Si utilizza un antenna fisica lunga qualche metro e si sintetizza a calcolatore l antenna chilometrica combinando centinaia di eco radar riprese da diverse posizioni lungo l orbita del radar (tecnica radar ad apertura sintetica) azimuth azimuth slant range slant range TRE 2009 Antenna fisica Antenna sintetica (SAR) 16

Si utilizza un antenna fisica lunga qualche metro e si sintetizza a calcolatore l antenna chilometrica combinando centinaia di eco radar

17 L immagine SAR (ampiezza) Ogni pixel dell immagine SAR contiene la somma delle eco riflesse verso il radar da tutti gli oggetti presenti nella cella di risoluzione. RCS: Radar Cross-Section L intensità del segnale ricevuto dal radar dipende dal tipo di oggetti presenti nella cella di risoluzione m 2 Tipicamente, aree urbane o rocciose sono caratterizzate da alta intensità (pixel bianchi), superfici vegetate mostrano media intensità (pixel grigi), mentre superfici lisce (ad es. bacini d acqua calma) mostrano bassa intensità (pixel neri). 20 m 2 TRE

RCS: Radar Cross-Section L intensità del segnale ricevuto dal radar dipende dal tipo di oggetti presenti 2000 m 2 Tipicamente, aree urbane o

18 Eliminazione del rumore di speckle SAR OTTICO TRE

19 Eliminazione del rumore di speckle Singola immagine SAR. Somma dell intensità di 10 immagini SAR riprese a tempi e angoli di vista diversi. TRE

20 Confronto SAR multi-immagine/ottico SAR multi-immagine La riflettività SAR (ampiezza del ritorno radar) non è influenzata dall illuminazione solare e/o dalle condizioni meteo. I sensori SAR satellitari attualmente disponibili possono rilevare una sola frequenza. Per questo motivo l immagine è visualizzata mediante una scala di grigi. OTTICO TRE

I sensori SAR satellitari attualmente disponibili possono rilevare una sola frequenza.

21 L immagine SAR (fase) Il segnale trasmesso dal radar deve raggiungere l oggetto a terra e quindi tornare indietro fino al radar. Oggetti a diversa distanza dal radar introducono un diverso ritardo tra la trasmissione e la ricezione del segnale (tempo di volo). Il segnale radar può essere assimilato ad una sinusoide con lunghezza d onda λ. R R λ Il tempo di volo fa sì che la fase del segnale ricevuto sia diversa dalla fase del segnale trasmesso. TRE

22 L immagine SAR La fase di un segnale radar è correlata alla distanza sensore-bersaglio. Un immagine SAR è una matrice di pixel caratterizzata dai valori di ampiezza e di fase: Ampiezza Fase Immagine (NOTA MODULO Ottica 2π) 22 TRE 2009

23 Fase di una sinusoide λ La fase interferometrica è proporzionale alle variazioni di cammino dell onda elettromagnetica φ r R φ = 2π R λ R = 2R φ = 4π R λ TRE

24 Interferometria SAR e Tecnica PSInSAR Obiettivo delle tecniche interferometriche e della Tecnica PSInSAR è quello di misurare da remoto gli spostamenti del terreno utilizzando il segnale di fase delle immagini SAR. +5 [mm/yr] -5 Interferogramma del terremoto di Landers (a N-E di Los Angeles) del 1992 Roma Analisi PSInSAR Roma TRE

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