EARTH OBSERVATION EDUCATIONAL. telerilevamento e diagnostica elettromagnetica 1. (parte 1)

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1 EARTH OBSERVATION EDUCATIONAL telerilevamento e diagnostica elettromagnetica 1 (parte 1)

2 remote sensing: acquisition of information about the state of a target by a sensor that is not in direct physical contact with it telerilevamento: acquisizione di informazioni su un oggetto per mezzo di un sensore non in contatto con esso oggetto: ambiente terrestre (tlr ambientale) operazioni a distanza: si sfrutta un meccanismo propagativo generazione trasporto di informazione mediante onde em (acustiche) sorgente interazione propagazione

3 individuazione e misura caratteristiche oggetto osservato da proprietà del campo elettromagnetico (acustico) che ha interagito con esso meccanismi interazione: emissione, diffusione, riflessione, propagazione quantità elettromagnetiche primarie osservazione (cadenzata) di aree estese: scala globale aree di difficile accessibilità riduzione costi di campionamento quantità primarie misurate da un sistema: produzione di dati con applicazione in diversi settori

4 Campi di applicazione dei sistemi di telerilevamento studio e monitoraggio delle variazioni del clima e della composizione atmosferica previsioni meteorologiche studio e monitoraggio del livello e della circolazione dei mari monitoraggio del moto ondoso e dei ghiacci marini monitoraggio delle zone costiere monitoraggio del suolo e dei corpi idrici e delle loro variazioni, incluso l inquinamento monitoraggio della produttività vegetale e dei processi biologici superficiali monitoraggio e gestione delle risorse non rinnovabili studio della struttura e dinamica della terra solida monitoraggio e riduzione delle conseguenze delle calamità naturali

5 mari, atmosfera e regioni polari: esercitano influenze sul clima in maniera strettamente interconnessa forme di vita terrestri e marine: influenzano anch esse sia il clima sia i cicli fondamentali il telerilevamento consente l osservazione su scala globale e a lungo termine

6 interazione tra campo em e mezzo osservato frequenza meccanismi di interazione diversi (determinati da un particolare parametro) scelta della frequenza: tipo di oggetto tipo di informazione che si vuole ottenere proprietà trasmissive mezzi attraversati (atmosfera: attenuazione, diffusione (scattering), emissione) allocazione bande di frequenza limiti tecnologici

7 spettro elettromagnetico suddiviso in bande (in termini di lunghezza d onda: λ = c/f): visibile (VIS) µm infrarosso vicino (NIR) µm infrarosso termico (TIR) 4 20 µm lontano infrarosso (FIR) µm microonde (µw) 1 mm 1 m onde submmetriche: 300 µm 1 mm onde mmetriche: 1 mm (300 GHz) 1 cm microonde: 300 MHz (1 m) 30 GHz (1 cm) Banda Intervallo di frequenza (GHz) P L S C X K Q V W

8 trasmissività atmosferica: VIS e IR (sopra); µw (sotto) atmosfera: forte variabilità attenuazione (transizioni roto-vibrazionali molecole gas costituenti, molto attivo WV) trasparente (finestre): osservazione superficie da satellite opaca: osservazione atmosfera

9 in presenza di nebbia o nubi: gocce d acqua introducono attenuazione supplementare (varia relativamente poco con λ, rende ± opache finestre in VIS e IR) attenuazione supplementare: diminuisce se λ d aumenta (d: diametro gocce) nebbia, nubi non precipitanti: d 100 µm (scarso effetto a µw) pioggia: d 1 mm (λ 1.5 cm opache anche finestre, scarso effetto sotto banda X)

10 effetto di f (λ) su prestazioni sensori: VIS, NIR: sole TIR, µw: anche di notte VIS, IR: nubi, nebbia µw: forte pioggia profondità di penetrazione λ µw: fino a qualche cm acqua limpida trasparente VIS

11 Sensori Tipo di informazione di intensità spettrale spaziale radiometri spettrometri radiometri a scansione passivi sistemi sonde multispettrali radiometriche spettrometri per immagine scatterometri scatterometri radar per immagine (SAR) multifrequenza radar meteorologici attivi altimetri lidar sonde acustiche

12 informazione: interazione onda e.m. oggetto riflessione: sistemi attivi o VIS e NIR emissione (assorbimento): sistemi passivi TIR e µw riflessione: reirradiazione coerente speculare diffusione (scattering): reirradiazione in varie direzioni (superfici ruvide, oggetti piccoli: d λ) potenza riflessa e/o diffusa: generalmente stessa λ incidente esistono processi concatenati di ass./emiss. (eventualmente virtuali): reirradiazione anche a f diverse (scattering Raman, fluorescenza) misure trasmissiometriche: visibilià, limb sounding

13 meccanismi che influenzano modalità di riflessione, emissione e assorbimento dipendono da banda di frequenza: legati a modalità di scambio di energia tra campo elettromagnetico e materiale (gas, liquido, solido) alte frequenze (VIS, IR) e/o strutture semplici (gas): assorbimento e riemissione di fotoni con corrispondenti transizioni energetiche (atomi, molecole) basse frequenze (µw) e sistemi complessi (terreno, vegetazione): meccanismi di tipo collettivo (mobilità elettroni in banda di conduzione, effetti di dissipazione e rilassamento)

14 VIS, IR marcata interazione solo in corrispondenza di linee o bande di assorbimento elettroniche, vibrazionali, roto-vibrazionali e rotazionali: forti variazioni con λ (soprattutto per i gas: atmosfera) µw selettività spettrale per atmosfera (risonanze rotazionali) variazioni con λ poco marcate per superficie (comportamento fortemente influenzato da rilassamento dielettrico dell acqua)

15 ciascuna banda di frequenza adatta a estrarre informazioni su particolari proprietà dell oggetto osservato λ processi elettronici e molecolari: microstruttura dei mezzi naturali (composizione o proprietà biologiche) λ processi collettivi: proprietà fisiche e morfologia

16 Meccanismi Parametri rilevabili Bande di interazione superficie atmosfera visibile processi elettronici composizione chimica costituenti IR vicino e vibrazionali copertura vegetale visibilità processi temperatura profili di temperatura IR termico roto-vibrazionali capacità termica costituenti emissione termica lontano IR processi rotazionali costituenti onde mm emissione termica temperatura profili di temperatura microonde contenuto d acqua precipitazioni scattering biomassa precipitazioni morfologia

17 sistema di telerilevamento misura quantità elettromagnetiche che quantificano l attitudine del mezzo a: riflettere, emettere o assorbire queste quantità sono funzioni dei parametri di interesse applicativo INVERSIONE approccio empirico statistico: rilevamenti in sito e misure di telerilevamento contemporaneamente relazioni empiriche, regressioni statistiche approccio teorico: determinazione legame tra parametri e dati mediante modelli di simulazione (si può poi cercare di invertirli)

18 quantità fondamentali misurate nel telerilevamento: campo elettromagnetico (in polarizzazione, ampiezza e fase) potenza riflessi, emessi o assorbiti dal mezzo osservato dati forniti dai sensori possono essere quantità diverse, derivate da campo e potenza sono primarie rispetto ai parametri ambientali (possono essere definite differentemente a seconda della banda di frequenza e del tipo di tecnica)