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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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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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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