Telerilevamento dei cambiamenti ambientali. Prima parte

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1 Telerilevamento dei cambiamenti ambientali Prima parte

2 Telerilevamento dei cambiamenti ambientali Anno accademico Laurea Triennale Ecologia dei cambiamenti globali 3 anno Alfredo Altobelli Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Scienze della Vita

3 Chi siamo? Dipartimento di Scienze della Vita Gruppo di ricerca in ecologia applicata e telerilevamento Altobelli Alfredo Ganis Paola Napolitano Rossella altobell@units.it ganisp@units.it napolita@units.it

4 Definizione di telerilevamento Il Telerilevamento (Remote Sensing) consente di acquisire a distanza informazioni sulle caratteristiche qualitative e quantitative di oggetti o porzioni di territorio.

5 Definizione di telerilevamento Il telerilevamento (Remote Sensing) si basa sulla capacità dei sensori remoti di registrare le variazioni di energia riflessa e/o emessa dai diversi elementi territoriali (suolo, vegetazione, acqua) alle diverse lunghezze d onda. L oggetto di studio è il Pianeta Terra in tutte le sue componenti: terra, acqua e atmosfera (Earth Observation Science).

6 Definizione di telerilevamento Nel telerilevamento l osservabile misurato è l energia elettromagnetica proveniente dalle superfice in esame. Misurare questa grandezza significa quantificare le alterazioni che l oggetto impone alla radiazione ovvero alle caratteristiche di intensità, frequenza e polarizzazione [ ] (Brivio et al., 2006).

7 Fasi del processo di telerilevamento Normalmente lo studio e l analisi di una superficie effettuati con tecniche di telerilevamento prevede tre fasi distinte: Acquisizione dei dati mediante riprese da aereo, da satellite, da drone (SAPR) o da terra; Elaborazione dei dati; Interpretazione e uso dei dati.

8 Componenti di un sistema di telerilevamento satellitare

9 Il concetto «Multi» nel telerilevamento (The Remote Sensing multi-concept) Il concetto «Multi» nel telerilevamento si riferisce alla possibilità di utilizzare immagini registrate da piattaforme e sensori diversi. Questo permette di aumentare la capacità di interpretazione della superfice oggetto dello studio. Multi-stazione (multi-stage): differenti piattaforme; Multi-temporale (multi-temporal): date e orari diversi; Multi-sensore (multi-sensors): differenti sensori; Multi-spettrale (multi-spectral): differenti bande.

10 Satelliti meteorologici km Satelliti quasi-polari km Multi-stazioni Navicelle con equipaggio a bordo, tipo Space- Shuttle km Strumenti aviotrasportati metri Telerilevamento di prossimità < 70m Piattaforme da terra

11 Multi-sensore Le tecniche di telerilevamento consentono di riprendere la stessa scena con sensori diversi. Ad esempio la missione europea Sentinel permette di fondere immagini del sensore ottico Sentinel-2 MSI (MultiSpectral Instrument) con i dati SAR (Synthetic Aperture Radar) del satellite Sentinel-1.

12 Multi-temporale Le tecniche di telerilevamento consentono di riprendere la stessa scena ad intervalli di tempo diversi e con regolarità, condizioni meteo permettendo. Questo permette di monitorare un determinato fenomeno nel tempo.

13 Ripresa multispettrale La visione dell uomo è limitata perché permette di osservare solo una piccola parte del comportamento spettrale degli oggetti che avviene sempre lungo tutto lo spettro elettromagnetico. Il telerilevamento, invece, osserva il comportamento delle superfici in varie porzioni dello spettro elettromagnetico definite bande spettrali.

14 Oltre al multi-concept, i vantaggi del telerilevamento sono: Ripresa sinottica di una vasta area di territorio (Sentinel-2: 290 x 290 km); Liberalizzazione del dato satellitare (Landsat, 2009); Possibilità di accedere via web a banche dati satellitari storiche (Landsat, dal 1980); Il telerilevamento permette di analizzare aree difficilmente raggiungibili.

15 Orbite satellitari Un satellite può restare nella stessa orbita per un lungo periodo di tempo grazie all equilibrio tra attrazione gravitazionale terrestre e forza centrifuga. Al di fuori dell atmosfera la resistenza opposta dall aria è assente, quindi la velocità del satellite si mantiene costante e il risultato è un orbita stabile attorno alla Terra per molti anni.

16 Orbite satellitari C è una connessione diretta tra la distanza dalla Terra e la velocità orbitale del satellite. Un satellite collocato in un orbita bassa, cioè una distanza di circa 800 km dalla Terra, è esposto ad una forte attrazione gravitazionale e si deve spostare ad una velocità considerevole per generare una forza centrifuga di pari entità. (Landsat-8: d=705 km, v=7.5 km/s, t=99 )

17 Tipologie di orbite Orbita geostazionaria Le orbite geostazionarie si collocano a quote molto elevate, nell ordine dei km dalla superficie terrestre. Queste quote conferiscono caratteristiche particolari all orbita: infatti permettono al satellite di completare una rivoluzione intorno alla Terra nello stesso periodo che il pianeta impiega a compiere una rotazione sul suo asse; il satellite sembra stazionario rispetto alla Terra.

18 Tipologie di orbite Orbita geostazionaria La permanenza sulla verticale di un punto permette di ottenere riprese della stessa zona molto ravvicinate nel tempo, per tale motivo sono particolarmente utili a scopi meteorologici. I satelliti Meteosat sono posizionati sopra l incrocio tra l equatore ed il meridiano di Greenwich (sopra il Golfo di Guinea). Essi inviano a terra immagini nei 3 canali dello spettro elettromagnetico (visibile, infrarosso e vapore acqueo) ogni 15 minuti.

19 Meteosat

20 Tipologie di orbite Orbita polare Uno svantaggio delle orbite geostazionarie risiede nella grande distanza dalla Terra che riduce la risoluzione spaziale all ordine di chilometri. Molte piattaforme di telerilevamento sono progettate per seguire un'orbita (di norma Nord-Sud) che, insieme alla rotazione della Terra (Ovest-Est), consente di coprire la maggior parte della superficie della Terra in un periodo di 10 giorni per il Sentinel-2 e di 16 per il Landsat-8).

21 Tipologie di orbite Orbita quasi-polare Queste orbite in realtà sono quasi-polari in quanto hanno inclinazioni di gradi sul piano equatoriale, quota variante dalla superficie terrestre fra 600 e 800 km e periodo orbitale di minuti.

22 Tipologie di orbite Orbita eliosincrona Idealmente le immagini satellitari ottiche, per poterle confrontare, dovrebbero essere acquisite tutte nelle stesse condizioni di illuminazione. In realtà l illuminazione varia in funzione della latitudine, della stagionalità e dell ora del giorno. I satelliti con orbite quasi-polari eliosincrone sono in grado di ridurre una delle più importanti cause di variabilità dell illuminazione, l ora della giornata.

23 Tipologie di orbite Orbita eliosincrona L orbita eliosincrona deriva il nome dal fatto che in tale configurazione orbitale l angolo formato dalla congiungente Sole - centro della Terra e dal piano orbitale del satellite è mantenuto costante nel tempo. Questo fa sì che il passaggio del satellite avvenga sempre alla stessa ora per le stesse latitudini.

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25 Orbita eliosincrona Il passaggio del satellite Landsat-8 sulla regione Friuli Venezia Giulia, avviene intorno alle 9.40 in Greenwich Mean Time (GMT), (GMT+1 ora locale cioè 10.40; oppure 11:40, cioè GMT+2, quando viene adottata l'ora legale).

26 Orbita eliosincrona Il Landsat completa la sua orbita in 99 minuti per 14 volte ogni giorno. Durante un periodo di rivoluzione del satellite la Terra ha effettuato una rotazione di circa 25 di longitudine, da ovest verso est, e conseguentemente la successiva strisciata di 185 km del satellite è spostata di 2875 km rispetto a quella adiacente che sarà acquisita dopo 7 giorni.

27 Tipologie di sensori in base alla fonte di energia Sensori attivi Oltre a registrare l EM proveniente dalle superfici, producono essi stessi l energia per illuminare la scena da riprendere. Tipici sistemi attivi per l osservazione della Terra sono il Radar e il Lidar. Possono operare anche durante la notte e riprendere con qualsiasi condizione meteorologica.

28 Tipologie di sensori in base alla fonte di energia Sensori passivi Utilizzano fonti di energia esterne: il Sole nello spettro dell ottico (visibile e infrarosso riflesso), la Terra nelle bande dell infrarosso termico (emesso). I sensori ottici operano solo durante il giorno e la qualità delle immagini dipende dalle condizioni meteorologiche al momento del passaggio del satellite(es: Landsat, Sentinel-2, Modis).

29 Tipologie di sensori in base alla fonte di energia Sensori passivi (Robila, 2006)

30 Formazione dell immagine I dispositivi a scansione - scanner Gli scanner montati sui satelliti effettuano rilevamenti secondo strisciate (swath). La luce riflessa da queste porzioni viene acquisita e separata in varie lunghezze d onda attraverso un prisma selettore che in un sistema multispettrale è in grado di separare le varie lunghezze d onda in funzione delle bande spettrali previste dal sensore.

31 Formazione dell'immagine multispettrale Altobelli Alfredo DSV-UniTS

32 Formazione dell immagine I dispositivi a scansione - scanner Lo scanner whisk-broom esplora la superficie tramite una serie di strisce contigue, per mezzo di uno specchio rotante. La combinazione dei moti rotatorio dello specchio di scansione e traslatorio del vettore permettono l esplorazione del suolo in modo sequenziale e ordinato.

33 (2) IFOV Istantanus Field OF View, cioè l angolo di risoluzione geometrica dello scanner

34 Formazione dell immagine I dispositivi a scansione - scanner Lo scanner push-broom è un sistema elettronico che non utilizza lo specchio rotante ma diversi rilevatori posizionati in sequenza e funzionanti contemporaneamente. L insieme delle risposte costituisce la linea di acquisizione formata da un numero di pixel pari al numero di rilevatori. Questi scanner presentano numerosi vantaggi rispetto al whisk-broom, infatti, il più lungo tempo di osservazione di ogni rilevatore migliora la risoluzione radiometrica e spaziale dell immagine.

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36 Formazione dell immagine I dispositivi a scansione - scanner Whiskbroom scanner: Landsat-7 ETM+ Landsat-5 TM Pushbroom scanner: Landsat-8 OLI Sentinel-2 MSI

37 Lo spettro elettromagnetico Il mezzo fisico che veicola l informazione è rappresentato, come abbiamo visto, dalle radiazioni elettromagnetiche il cui insieme ordinato per lunghezza d onda crescente definisce lo spettro elettromagnetico.

38 Occhio umano & sensori satellitari L occhio umano è una forma di telerilevamento ed è sensibile solo ad un intervallo limitato dello spettro EM, l intervallo del visibile. I sensori satellitari, invece come abbiamo già detto, sono in grado di registrare l intervallo del visibile e dell infrarosso oltre che un vasto intervallo di altre lunghezze d onda (radar).

39 Suddivisione dello spettro elettromagnetico

40 Infrarosso riflesso & IR emesso (termico)

41 Finestre atmosferiche v v v v v L atmosfera non è sempre trasparente, ma lo è nelle finestre atmosferiche.

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43 Telerilevamento attivo a microonde

44 Formazione dell immagine Conversione analogico-digitale Le immagini digitali satellitari sono create da un sensore che trasforma il flusso di radiazione elettromagnetica (radianza) in impulsi elettrici convertiti successivamente in formato numerico. L immagine che ne deriva è costituita da elementi, generalmente di forma quadrata, denominati pixel (picture elements). Ogni pixel è geocodificato all interno dell immagine e dotato di un valore numerico, chiamato DN (Digital Number) che ne definisce la luminosità.

45 Radiant energy [J] [W s]: The amount of energy carried by electromagnetic radiation. (1 J/sec = 1 Watt) Radiant flux [W]: the quantitative of energy radiant in the time. Radiant intensity [W sr -1 ]: the radiant flux per unit of solid angle. Steradiant id defined as the solid angle subtended of the center of the sphere of radius r by a portion of the surface equal to r 2. Because the surface area of a sphere is 4лr 2, a sphere measures 4л steradiants. Radiant flux density [W m -2 ]: The radiant flux per unit area. Irradiance: flux density incident onto a surface. Exitance, Emittance: flux density emerging out of a surface. Radiance [W m-2 sr-1] the radiant flux per unit of solid angle and area. Remote sensing radiometric quantities (Grandezze radiometriche) NB: se tali quantità sono riferite ad una particolare λ allora prendono l aggettivo «spettrale»

46 Formazione dell immagine Conversione analogico-digitale

47 Immagini satellitari in scala di grigi Le immagini digitali così ottenute sono assimilabili ad una matrice numerica, pertanto suscettibili di analisi quantitative. Il DN rappresenta un punteggio numerico della radianza media riflessa dalla porzione di superficie che ricade all interno del pixel. Le immagini prodotte vengono rappresentate in una scala di grigi (grayscale) con gli oggetti che hanno tonalità di grigio variabili dal nero al bianco proporzionalmente al quantitativo di radiazione registrata (massima nel bianco, nulla nel nero).

48 Immagini pancromatiche e multispettrali In base all informazione spettrale registrata nell immagine e possibile distinguere tra immagini pancromatiche e multispettrali. Le immagini pancromatiche sono ottenute da strumenti sensibili unicamente alla banda VIS che viene acquisita come un singolo segnale. Le immagini multispettrali sono invece derivanti da apparecchiature in grado di registrare specifiche bande dello spettro elettromagnetico.

49 Immagini satellitari a colori Nelle immagini digitali a colori ciascun pixel è dotato di un colore la cui codifica avviene in forma numerica mediante apposite coordinate in sistemi di riferimento noti come spazi colori. Per le immagini digitali satellitari il sistema colorimetrico più comunemente utilizzato è quello della sintesi additiva RGB, acronimo dei colori rosso, verde e blu.

50 Spazio di colore RGB

51 Spazio di colore RGB

52 Immagini a colori vere e a falsi colori Un immagine true-color è generata a partire dalle tre bande del visibile (rosso, verde e blu) acquisite separatamente da un sensore multispettrale e a cui sono assegnati i canali del rosso, del verde e del blu in una sintesi additiva RGB. In questa modalità gli oggetti appaiono esattamente come sono percepiti nella realtà dall occhio umano.

53 Immagini a colori vere e a falsi colori Un immagine in falso colore non rispetta invece la corrispondenza tra banda elettromagnetica e canale assegnato. Questa tipologia è particolarmente utile per visualizzare bande che non appartengono alla regione del visibile. Ad esempio, per osservare un immagine satellitare che comprenda le bande VIS e NIR occorrerà necessariamente ricorrere al falso colore.

54 Immagini a colori vere e a falsi colori Generalmente un immagine all infrarosso falso colore (FCIR ) viene rappresentata assegnando alla banda del NIR il canale R, alla banda del verde il canale B, alla banda del rosso il canale G; la banda del blu non viene rappresentata. In una immagine FCIR la vegetazione in condizioni normali appare di colore rosso-magenta.

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56 Il presente materiale didattico può essere utilizzato, unicamente dagli studenti iscritti al corso, per finalità di studio. Il Docente Alfredo Altobelli Trieste, 23/10/2017