Telerilevamento e SIT Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci

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1 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio A.A Telerilevamento e SIT Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci Telerilevamento: principi fisici

2 Principi fisici del telerilevamento RADIAZIONE E TEMPERATURA Tutti i corpi con temperatura superiore a 0 K emettono radiazioni elettromagnetiche. L energia totale emessa per unità di superficie viene detta eccitanza. Con riferimento all energia emessa ad una specifica lunghezza d onda si parla di eccitanza spettrale.

3 DEFINIZIONE corpo nero: assorbe totalmente l energia elettromagnetica, qualunque sia la sua lunghezza d onda, ed emette energia EM in modo continuo su tutto lo spettro seguendo la Legge di Planck Legge di Planck (relativa alla superficie unitaria di un corpo nero)

4 L emissione dipende esclusivamente dalla temperatura Integrando su tutto lo spettro EM l equazione di Planck, si ottiene l eccitanza totale: W = σt4 Stefan-Boltzmann σ = costante di Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W m-2 K-4) T = temperatura in K

5 All aumentare della temperatura, aumenta l intervallo delle radiazioni elettromagnetiche emesse e la quantità totale di energia mentre diminuisce la lunghezza d onda relativa al picco di massima eccitanza. 290 K Per questo motivo i corpi, scaldandosi, tendono ad emettere radiazione visibile. Curve di eccitanza del corpo nero a temperature prossime a quelle del Sole e della Terra Il picco di eccitanza viene detto temperatura di colore. Esempi di temperature di colore: - lampadine a incandescenza: 3500 K - lampada allo Xenon: 5500 K - tubi fluorescenti: 7000 K (luce calda ) (simile a quella solare) (luce. fredda )

6 Legge di Wien La lunghezza d onda alla quale si registra il picco di emissione è inversamente proporzionale alla temperatura T. λt = cost λ(μ max) = 2897,8/T Questo spostamento nell emissione si osserva, ad esempio, scaldando un pezzo di ferro: da nero diventerà rosso intenso, poi arancione, giallo ed eventualmente bianco. Questa legge ci consente di scegliere la risoluzione spettrale dei sensori (lunghezze d onda) in funzione della temperatura delle superfici da investigare. ESEMPIO: per un incendio boschivo, caratterizzato da temperature di combustione di circa K, si utilizzerà un sensore in grado di rilevare la banda spettrale intorno ai 4µm.

7 Le sorgenti di radiazione elettromagnetica reali Per i corpi reali, l emissione segue la legge 290 K 290 K rapporto tra l energia emessa dalla superficie reale e quella emessa dalla superficie di un corpo nero alla stessa temperatura e per una data lunghezza d onda. Varia tra 0 e 1.

8 Curva di eccitanza del Sole L atmosfera filtra la radiazione e sulla Terra arriva solo una parte dell energia emessa dal Sole

9 In sintesi Esiste una correlazione diretta tra la temperatura della superficie, l emissione di radiazione elettromagnetica e la relativa lunghezza d onda. Superfici con differenti temperature hanno la massima emissione a lunghezze d onda differenti. Il sole ha una temperatura superficiale di 6000 K ed un emissione massima nell intervallo del visibile (0,483 µm). 290 K Un incendio boschivo, caratterizzato da una temperatura di circa 1000 K, ha la massima emissione nell infrarosso medio. La temperatura della superficie della Terra è di circa 290 K e ciò comporta un emissione massima alla lunghezza d onda di circa 14 µm, definita anche intervallo dell infrarosso termico.

10 La Terra irradia solo piccole quantità di energia nell intervallo del visibile e la sua visibilità dipende unicamente dal fatto che essa riflette la radiazione visibile proveniente dal sole. I raggi solari che colpiscono la Terra vengono in parte assorbiti, contribuendo in questo modo al riscaldamento del pianeta, e in parte riflessi e percepiti dall occhio umano o rilevati dal sensore di un satellite. La Terra riflette mediamente il 39 % della radiazione solare Il valore di albedo di una superficie indica la percentuale di radiazione luminosa riflessa (0-1). La Terra ha albedo 0,39

11 Lo spettro elettromagnetico L occhio umano è sensibile solo ad un intervallo limitato dello spettro EM (intervallo del visibile). I sensori satellitari, invece, sono in grado di registrare l intervallo del visibile e dell infrarosso oltre che un vasto intervallo di altre lunghezze d onda (radar). La capacità dei satelliti di distinguere il contributo della riflessione o dell emissione alle diverse firme spettrali consente di distinguere i differenti tipi di superfici e materiali e di creare mappe tematiche.

12 Lo spettro visibile - VIS Violetto nm Blu nm Blu-verde nm Verde nm Giallo nm Arancio nm Rosso nm

13 Lo spettro infrarosso infrarosso vicino (NIR Near InfraRed, µm), viene riflesso dalla superficie terrestre, come la radiazione visibile, e può essere rilevato da speciali pellicole fotografiche: infrarosso riflesso infrarosso onde corte (SWIR, µm): infrarosso riflesso ed emesso * infrarosso onde medie (MWIR, infrarosso termico (TIR, ,0 * emesso anche dalla superficie terrestre µm): infrarosso emesso * µm): infrarosso emesso *

14 La riflessione L energia elettromagnetica incidente su una superficie può essere assorbita, riflessa o trasmessa. Dato un intervallo infinitesimale dello spettro dλ, si definiscono le seguenti grandezze: Assorbanza spettrale Riflettanza spettrale Trasmittanza spettrale

15 Riflessione diffusione geometrica (particella molto più grande della lunghezza d onda) diffusione multipla (radiazione incidente su una moltidutine di piccole particelle) Assorbimento Trasmissione radiazione assorbita e riemessa ad un altra lunghezza d onda trasmissione della radiazione (assenza dei fenomeni di riflessione ed assorbimento)

16 Radiazione riflessa Le superfici riflettono la radiazione elettromagnetica incidente in modo differente in funzione delle loro proprietà chimico-fisiche e della lunghezza d onda incidente.

17 La curva di riflettanza Descrive l andamento della riflettanza, per una data superficie, in funzione della lunghezza d onda (intervallo spettrale).

18 Fattori che influenzano le curve di riflettanza Geometria Sole-Sensore Atmosfera Esposizione Caratteristiche oggetto La curva di riflettanza di una superficie varia molto in funzione delle condizioni ambientali (periodo dell anno, condizione fisica e chimica della superficie, condizioni climatiche) e di ripresa (geometria Sole superficie sensore).

19 Bidirezionalità della riflettanza Superficie Lambertiana Superficie non-lambertiana

20 Osservazioni sperimentali Sole alle spalle dell osservatore Sole di fronte all osservatore

21 Sole alle spalle dell osservatore Sole di fronte all osservatore

22 BRDF - Bidirectional Reflectance Distribution Function Quantità della luce riflessa in una direzione R quando la superficie è illuminata da un raggio di luce infinitamente sottile proveniente da I. I R

23 Misura della BRDF in campo

24 Principi fisici del telerilevamento La radiazione elettromagnetica di una superficie può manifestarsi sotto forma di riflessione (luce riflessa) o di emissione (radiazione emessa dalla superficie stessa). La luce (del sole) riflessa (dalla superficie terrestre) è, per ovvie ragioni, misurabile solamente durante le ore diurne, mentre l emissione si può misurare in qualsiasi momento. Emissività Riflettività (riflettanza spettrale) MISURE DI RADIANZA

25 ESEMPIO: l'acqua emette radiazione nell'intervallo dell'infrarosso termico (7.0-20,0 µm) temperatura dei mari

26 ESEMPIO: l acqua non riflette nell intervallo dell infrarosso vicino ( µm). In immagini acquisite nell intervallo dell infrarosso vicino, le superfici d acqua si distinguono come le aree più scure (valori radiometrici prossimi a zero).

27 Una superficie bianca riflette una quantità identica di radiazione in tutte le lunghezze d onda della radiazione visibile. Una foglia riflette prevalentemente la radiazione (visibile) nell'intervallo nm (spettro del colore verde) la foglia appare verde. Una superficie nera non riflette radiazione nelle lunghezze d'onda visibili (assorbe tutta la radiazione visibile). QUINDI: la composizione della riflessione elettromagnetica ci fornisce informazioni sulla superficie che emette o riflette la radiazione. firma spettrale

28 Firma spettrale La riflettanza R di una superficie esposta alle radiazioni solari varia in relazione alle lunghezze d onda λ dello spettro elettromagnetico: ne deriva una curva nel piano λ-r tipica di quella superficie

29 Riflettanza dell acqua limpida e con diversi livelli di concentrazione di sedimenti 5 Clayey soil 12 Percent Reflectance 4 1,000 mg/l clear water Wavelength (nm) b clear water a Silty soil 300 Percent Reflectance ,000 mg/l Wavelength (nm) 750 Han, 1997; Jensen,

30 Riflettanza dell acqua limpida e con diversi livelli di concentrazione di alghe 25 4 Algae-Laden Water with Various Suspended Sediment Concentrations clear 500 mg/l water algae-laden Percent Reflectance Percent Reflectance 3 water a mg/l Wavelength (nm) b Wavelength (nm) Han, 1997; Jensen,

31 La curva di riflettanza della neve

32 Differenze nella riflettanza di neve e nuvole Jensen, 2000

33 La curva di riflettanza di diversi suoli nudi a differente contenuto di umidità H 2O

34 La curva di riflettanza del suolo con differente contenuto di sostanza organica

35 La curva di riflettanza della vegetazione

36 Confronto tra curva di riflettanza della vegetazione e curva di assorbanza dell acqua