Applicazioni di Telerilevamento per studi agronomici

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1 Applicazioni di Telerilevamento per studi agronomici Dott. Mirco Boschetti

2 1 parte TLR Risposta spettrali della superfici Il comportamento della Influenza dei biofisici 2 parte Cos è un immagine Visualizzazione ed elaborazione Risoluzione spettrale e spaziale Dalle immagini alle mappe Classificazioni Estrazione di Monitoraggio Vegetazion y 0,0 1,0 2,0 0,1 0,2 x 3 parte Applicazioni: Il progetto ERMES Scala regionale Scala locale

3 Il Telerilevamento come strumento di ricerca e gestione 1/4 Il telerilevamento è quell insieme di tecniche e metodi di osservazione a distanza, sia da terra, aereo e satellite, per il rilievo delle caratteristiche fisiche delle superfici naturali, finalizzate allo studio dell habitat e del territorio Oggi rappresenta sia uno strumento di analisi e ricerca scientifica a servizio delle scienze ambientali sia un nuovo approccio per la conoscenza fisica del territorio e dell ambiente a supporto della pianificazione territoriale e del monitoraggio ambientale

4 Principi di TLR: interazione materia energia 2/4 Sorgente luminosa Il TLR si basa quindi sulla misurazione dell energia elettromagnetica che giunge al sensore dopo l interazione con la superficie indagata: Gli oggetti infatti interagiscono con Energia elettromagnetica riflettendo assorbendo ed emettendo in maniera diversa alle diverse lunghezze d onda Pixel Altitudine di volo

5 Peculiarità del Telerilevamento 3/4 250 m 30 m > 5 m 1000 m Visione sinottica dall alto del territorio Osservazione, analisi e un monitoraggio multitemporale Visione multispettrale dell oggetto indagato Osservazione della dimensione spaziale dei fenomeni

6 Peculiarità del Telerilevamento 3/4 Dai dati alle informazioni spazio-temporali Multi-temporale Multi-sensore Crop type map Soil variability map Crop sowing date map 23 May 5 June July Crop LAI map Crop LAI trend

7 e requisiti Utenti Usi Applicazioni Il telerilevamento: aspetti teorici e applicazioni agronomiche Peculiarità del Telerilevamento 3/4 Ambiti di utilizzo Scala continentale/globale Scala regionale Scala locale Sicurezza alimentare Controllo dei prezzi Early warning Supporto politiche Pianificazione interventi Early warning Supporto aziendale/zonazione Management (PF) Controlli (CAP-assicurazioni) DG-Agri EuropAid UNEP/UE/FAO Autorità regionali Consorzi di bonifica Agri-consulting/Aziende Autorità (Agea) Assicurazioni Operational service Data acquisition assurance Local knowledge Added value

8 Principali vantaggi delle tecniche di telerilevamento 3/4 Visione globale e multi-scala del sistema terra Osservazione dei cambiamenti naturali (e antropici!) Analisi della dimensione spaziale dei fenomeni Misurazione delle informazioni proveniente dalla superficie anche in regioni dello spettro fuori dal range del visibile

9 Principali vantaggi delle tecniche di telerilevamento 3/4 Possibilità di vedere la dimensione spaziale dei fenomeni Aerial hyperspectral image, 2 m spatian resolution VI map (LAI proxy) (2 July) LAI map by field data interpolation (1 July) Le immagini Telerilevate forniscono misure continue su aree vaste che meglio descrivono la variabilità spaziale di un fenomeno (alla risoluzione del sensore) e dell ambiente naturale rispetto alla interpolazione di pochi campioni

10 Principali vantaggi delle tecniche di telerilevamento 3/4 Possibilità di misurare informazioni proveniente dalla superficie anche in regioni dello spettro fuori dal range del visibile Sintesi RGB a colori reali Adamello Glacier seen by Landsat ETM+ image Sintesi RGB a falsi colori

11 Che cosa misura un sistema di telerilevamento Energia incidente Radiazione riflessa/emessa dall atmosfera Assorbimento e diffusione atmosferico E emessa E Riflessa Il sensore raccoglie la radiazione EM riflessa o emessa dalla superficie e quella riflessa o emessa dall atmosfera; L atmosfera può assorbire e diffondere la radiazione solare, modificando sia la radiazione incidente sulla superficie, sia quella che raggiunge il sensore; L intensità della radiazione riflessa o emessa dalla superficie dipende dalle caratteristiche della superficie e dalla lunghezza d onda;

12 Energia elettromagnetica e regioni spettrali 1/3 Lunghezza d onda (l): distanza tra due massimi o due minimi di un onda Visibile ( mm) blu: mm verde: mm giallo: mm rosso: mm Infrarosso vicino (0.7 3 mm) Infrarosso medio (3 6 mm) Infrarosso termico (6 20 mm)

13 La risposta spettrale delle in funzione delle caratteristiche di foglia e pianta

14 La risposta spettrale delle superfici E possibile discriminare in un immagine un gran numero di elementi (suolo,, acqua ecc.) e di riconoscere le loro caratteristiche (umidità, stato di salute, concentrazione dei nutrienti ecc.) analizzando il diverso comportamento spettrale nelle varie lunghezze d onda ovvero la loro firma spettrale

15 M.A. Gomarasca, 1998 Il telerilevamento: aspetti teorici e applicazioni agronomiche La risposta spettrale della 1/7 Il comportamento spettrale della dipende principalmente da due fattori: le caratteristiche chimico/fisiche delle foglie e delle altre componenti della pianta Contenuto di clorofilla Struttura cellulare Contenuto d acqua l aggregazione dei singoli elementi (foglie, rami) e la struttura complessiva della pianta (canopy) Gradi di copertura Quantità di biomassa verde Architettura delle chiome Presenza e tipologia di background (suolo e infestanti) Fenologia Stato di salute Fattori esterni (morfologia, geometria sorgente-oggettosensore, atmosfera )

16 La risposta spettrale della 2/7 Interazione e risposta spettrale Le superfici riflettono, trasmettono e assorbono la radiazione incidente

17 La risposta spettrale della 3_1/7 I pigmenti fogliari assorbono nelle lunghezze d onda del blu e del rosso e riflettono in quelle del verde ed è proprio per questo che i nostri occhi identificano la di questo colore La struttura della comporta invece che questa rifletta altamente nell infrarosso vicino determinando un tipico platò nella firma come in figura

18 Chimismo e struttura La clorofilla e i pigmenti risiedono nei cloroplasti (organuli all interno della cellula). La luce blu e rossa è assorbita; La luce verde viene riflessa dalle cellule a palizzata; NIR raggiunge la struttura lacunosa ed è soggetta a elevate riflessioni multiple Poiché tale struttura è molto variabile tra pianta e pianta, misure di riflettanza nella regione NIR consentono di discriminare tra specie diverse La r in NIR aumenta con il numero dei piani fogliari incontrati (quindi biomassa) e varia molto in condizioni di stress

19 Chimismo e struttura Chl & Nitrogen

20 La risposta spettrale della foglia 2/5 r Il chimismo della foglia Il grafico mostra l andamento delle firme spettrali della al variare del contenuto di clorofille Riflettanza in funzione di Cab l [nm] Le firme sono i risultati del modello (PROSPECT) del comportamento della foglia N 1.5 Cab VARIABLE Cw Cm M. Meroni, 2001 Lezioni Corso di Telerilevamento Scienze Ambientali Unimib

21 r La risposta spettrale della foglia 3/5 Il chimismo della foglia Il grafico mostra l andamento delle firme spettrali della al variare del contenuto d acqua Riflettanza in funzione di Cw l [nm] Le firme sono i risultati del modello (PROSPECT) del comportamento della foglia N 1.5 Cab 35 Cw VARIABLE Cm M. Meroni, 2001 Lezioni Corso di Telerilevamento Scienze Ambientali Unimib

22 La struttura della pianta Non solo i singoli elementi, foglie, caratterizzano la risposta spettrale ma soprattutto la loro struttura Le immagini telerilevate forniscono infatti informazioni su aree estese. Dalla avremo una risposta complessiva

23 La struttura della pianta IL LAI Il LAI, Leaf Area Index, è un indice della densità della copertura della canopy (definizione da Ecologia Forestale, M. Paci) Il LAI fornisce indicazioni sulla quantità di biomassa verde e permette di correlare il dato telerilevato ai processi fisici (A.M: Gomarasca) LAI è definito come area totale delle foglie sopra un area di terreno ovvero m 2 di area fogliare m 2 di superficie di riferimento piana occupata dalla fitocenosi LAI =

24 Il telerilevamento: aspetti teorici e applicazioni agronomiche La risposta spettrale della struttura 1/2 La struttura della pianta Il grafico mostra l andamento delle firme spettrali della al variare dell indice d area fogliare (LAI) Riflettanza in funzione di LAI l [nm] 0 isat 1 ihot 40 Theta_s, 40 tl VARIABLE l 1.5 vai 35 cab cw 0.01 cm 0.25 sl 100 vis 1 alph_soil 1 na 0 0 Le firme sono i risultati del modello (SAIL) del comportamento della Canopy M. Meroni, 2001 Lezioni Corso di Telerilevamento Scienze Ambientali Unimib

25 Il telerilevamento: aspetti teorici e applicazioni agronomiche La risposta spettrale della 2/3 La struttura della pianta Il grafico mostra l andamento delle firme spettrali della al variare della posizione delle foglie Riflettanza in funzione di MTA l [nm] 0 isat 1 ihot 40 Theta_s, VARIABLE tl 5 l 1.5 vai 35 cab cw 0.01 cm 0.25 sl 100 vis 1 alph_soil 1 na 0 0 Le firme sono i risultati del modello (SAIL) del comportamento della Canopy M. Meroni, 2001 Lezioni Corso di Telerilevamento Scienze Ambientali Unimib

26 La risposta spettrale della nel tempo La riflessione nel tempo varia in funzione delle pratiche agricole e della crescita della pianta.

27 Materiale didattico Tutorials Telerilevamento: Informazioni sui Sensori satellitari: MODIS: LANDSAT: SPOT : IKONOS : AVHRR : Riviste on-line: Remote Sensing of Environment: International Journal of Remote Sensing : IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing :