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2 Lista degli argomenti Motivi d interesse del telerilevamento in agricoltura Aspetti di base Lo spettro elettromagnetico Comportamento radiativo dei corpi Classificazione dei sensori Sensori TIR Sensori Vis-NIR RGB Multispettrali Iperspettrali

3 Aspetti d interesse del telerilevamento in agricoltura Caratteristiche del terreno (S.O., caratteristiche idrologiche) Gestione dell irrigazione e della fertilizzazione Crescita della coltura (AGB, concentrazione di nutrienti) Gestione della fertilizzazione Previsioni di resa e stima danni Stato fitosanitario e d infestazione da malerbe della coltura Gestione della difesa Stato idrico della coltura Gestione dell irrigazione

4 La radiazione visibile La luce solare è composta da un miscuglio di raggi di diverso colore Experimentum crucis, Isaac Newton, 1672.

5 La radiazione infrarossa Sir William Herschel, 1800 Experiments on the refrangibility of the invisible rays of sun. I raggi calorici che provengono dal Sole sono invisibili all'occhio e si trovano appena al di la del rosso dello spettro visibile. IR: Near, nm; Mid, nm; Far, nm

6 Lo spettro elettromagnetico Circa il 98% dell energia solare è compresa nell intervallo nm La PAR (Photosintetically Active Radiation) è compresa tra 400 e 700 um.

7 Comportamento radiativo di un corpo Comportamento attivo Riguarda l emissione di radiazione da parte di un corpo Comportamento passivo Riguarda l interazione con la radiazione quando un corpo ne viene investito

8 Comportamento attivo: legge fondamentale dell irraggiamento, Planck 1898 E( λ,t ) = Dove: c 1 λ 5 c2 1+ exp λ T c 1 = W µm 4 cm -2 c 2 =14385 K µm T in K Descrive la potenza di emissione di un corpo nero lungo lo spettro elettromagnetico in funzione della sua temperatura assoluta

9 Emissione di un corpo reale Ogni corpo, a qualunque temperatura maggiore di 0 K, emette radiazione elettromagnetica. L emissione è funzione della sua temperatura ed emissività. E (W m -2 ) = εσt 4 (legge di Stefan-Boltzman, 1884) ε = emissività del corpo (0 1) σ = costante di Stefan-Boltzmann = W m -2 K -4 T = temperatura assoluta (K) Il sole, circa 6000 K, emette 73 MW m -2 La canopy, circa 288 K, emette 370 W m -2

10 Picco di emissione di sole e canopy Lo spettro di emissione di un corpo nero ha un picco a: λ max = 2897 / T (µm) (Legge di Wien, 1893) T = temperatura assoluta (K) λ max del sole, circa 6000 K, = 0,45 µm (450 nm) λ max della canopy, circa 300 K, = 9,65 µm (9650 nm)

11 Range delle radiazioni solare e terrestre Corpo Intervallo spettrale (nm) Tipo di radiazione Sole UV (7%); Vis (45); NIR (48) Canopy MIR e lontano IR

12 Comportamento passivo Un corpo investito dalla radiazione può: Assorbirla Rifletterla Trasmetterla La risposta dipende dalla composizione molecolare e dalla struttura fisica del corpo Dunque, gli spettri di riflettanza, assorbimento e trasmittanza contengono informazioni sulla natura del corpo

13 Spettro di assorbimento dei carotenoidi

14 Spettro di riflettanza della canopy Reflectance (%) 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Reflectance (%) 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Coltura N carente N sufficiente Terreno nm nm UV B G Y R RE NIR

15 Hamlyn G. Jones and Robin A. Vaughan, Remote Sensing of Vegetation. Principles, Techniques, and Applications Relazioni tra proprietà elettromagnetiche e stress

16 Cos è un sensore? E un dispositivo che acquisisce in ingresso una grandezza e fornisce in uscita un segnale legato alla grandezza da una precisa legge. Nel rilevamento della canopy, la grandezza in ingresso è l energia della radiazione elettromagnetica e in uscita si ha un segnale elettrico proporzionale all energia della radiazione.

17 Classificazione dei sensori Lunghezza d onda in cui operano Ottici (Vis, NIR, MIR) Termici (TIR) Microonde Tipo di funzionamento Attivo (proiettano sulla superficie un fascio di radiazione) Passivo (sfruttano la radiazione naturale) Imaging vs non-imaging non imaging: rilievi puntuali lungo una traiettoria Multispettrale vs iperspettrale

18 Classificazione dei sensori Sensori multispettrali Rilevano riflettanze in bande larghe e di numero ridotto, spesso non vicine (es. nel verde nel rosso e nel vicino infrarosso) Sensori iperspettrali Rilevano riflettanze in molte bande strette, spesso molto vicine (es. ogni 10 nm) producendo uno spettro più dettagliato

19 Quali radiazioni giungono dalla canopy verso l alto? Radiazione solare riflessa (Vis, NIR) Spettro di trasmittanza dell atmosfera (da: Connor et al. 2011) Radiazione emessa dalla canopy (TIR) Radiazione di rimando (laser, microonde)

20 Camere TIR (Thermal Infrared Radiation) Contengono elementi sensibili alla radiazione IR; l energia della radiazione viene convertita in un segnale elettrico proporzionalmente Siccome l emissione di radiazione IR è in relazione con la temperatura del corpo e della sua emissività, rilevando la radiazione IR si stima la temperatura del corpo. I più utilizzati sono i bolometri: resistori che scaldandosi per azione della radiazione variano la loro resistenza e di conseguenza generano un segnale elettrico Sensibilità intorno a mk Dimensione del sensore: per esempio, 382 x 288 pixels in optris PI 450

21 Elementi di una camera TIR convertitore A/D memoria lente sensore microprocessore Vengono utilizzate lenti in germanio, AMTIR, seleniuro di Zn Transmissivity of typical infrared materials (1 mm thick). 1 Glass, 2 Germanium, 3 Silicon, 4 KRS5

22 Cause di variabilità della temperatura di una canopy Colore (effetti sull assorbimento della radiazione solare) Tasso di evapotraspirazione (l ET determina raffrescamento) Carenza di elementi nutritivi Attacchi di patogeni Functional Plant Biology, 2009, 36,

23 Elementi di una camera multispettrale Filtro convertitore A/D memoria lente sensore microprocessore I filtri possono essere applicati anche sui singoli fotodiodi

24 Selezione delle bande spettrali Filtri

25 Sensori Matrici di fotodiodi I fotodiodi sono elementi fotosensibili che convertono l energia della radiazione in un segnale elettrico Numero di fotositi per sensore (risoluzione) da 3-4 milioni a 1-3 decine di milioni CCD image sensor / full-color 24 Mpix, 6000 x 3988 pix, 1.8 fps

26 Camere multispettrali RGB Filtri usati: Filtro passa-alto (esclude UV) Filtro passa-basso (esclude NIR > 700nm) Filtri passa-banda nel rosso (R), nel verde (G) e nel blue (B) a livello dei fotositi Schema di Bayer per la disposizione dei filtri sui fotodiodi del sensore 500D-T1i-vs.-Nikon-D5000/Color-blindnesssensor-quality

27 Camere RGB modificate per diagnostica colturale Modifiche del sistema di filtrazione della luce Rimozione del filtro passa-basso (esclude NIR > 700nm) Posizionamento di un nuovo filtro Filtro DIY NGB usato per la modifica di normali camere RGB Nella camera dedicata Tetracam ADC Lite il canale sostituito è il blu Bande B, G, NIR Bande G, R, NIR

28 Bande spettrali di una camere RGB modificata Filtro DIY NGB

29 Camere RGB modificate per diagnostica colturale Blu 3 canali Formato RAW o JPEG Estrazione canali Verde NIR Calcolo indici vegetazionali e mappatura

30 Camere multispettrali per diagnostica colturale Tetracam - Multi-Camera Array (Micro-MCA) Da 4 a 12 corpi con filtri personalizzabili. Una banda per corpo. MicaSense RedEdge 5 bande fisse: R, G, B, RE, NIR RE=Red edge

31 Camere multispettrali per diagnostica colturale Bande spettrali della MicaSense RedEdge 5 CANALI Formato TIFF VERDE NIR File di output della camera: 1 immagine per ogni banda spettrale

32 Correzione radiometrica Tramite pannelli a riflettanza nota (in immagini del pannello prima del volo ed al suo termine Tramite sensori che misurano la radiazione che proviene dall alto (Down-welling light sensors)

33 Scanner iperspettrali

34 Immagine iperspettrale Alto contenuto informativo File di grandi dimensioni (nell ordine di Gbyte) Necessità di elaborazione chemiometrica

35 Immagine iperspettrale Ipercubo Riflettanza Regioni spettrali

36 Grazie per l attenzione