Dronitaly, 25-26 settembre 2015 Centro Congresso ATA Hotel Expo Fiera di Milano Precision Farming: il rilevamento aereo multispettrale Michaela De Giglio 1,2, Marco Dubbini 1,2, Mario Gattelli 2 1) Alma Mater - Università di Bologna Sezione di Geografia 2) michaela.degiglio@unibo.it
TELERILEVAMENTO Il TELERILEVAMENTO (Remote Sensing) è la disciplina che permette di ricavare informazioni qualitative e quantitative su oggetti posti a distanza e sull ambiente circostante, sulla base di misure di energia elettromagnetica emessa, riflessa o trasmessa che interagisce con le superfici di interesse. CCRS/CCT, 2003 A) Fonte di energia o illuminazione B) Radiazione C) Interazione con l oggetto D) Registrazione energia da parte del sensore E) Trasmissione, ricezione, processamento F) Elaborazione e analisi G) Applicazione
SENSORE SENSORE: dispositivo in grado di rilevare e di registrare l energia elettromagnetica proveniente da una scena e capace di convertirla in informazioni utili. Parte ottica Filtri spettrali Rivelatore CCD (Charge Coupled Device) / CMOS (sino a 950nm) Arsenurio di Gallio (sino circa a 2500nm) Microbolometri (sino a 15000nm) Supporto di registrazione
(CCRS/CCT, 2003) SPETTRO ELETTROMAGNETICO ONDA ELETTROMAGNETICA : perturbazione dello spazio generata dalla combinazione simultanea di un campo elettrico e di un campo magnetico Distribuzione monodimensionale continua dell energia elettromagnetica Intervalli o bande spettrali
MISURA DELL ENERGIA Δt : tempo necessario per catturare la quantità finita di radiazione (tempo di integrazione del sensore) ΔA : porzione della superficie inquadrata dal sensore Δω : apertura del sensore (angolo solido usato per raccogliere l energia) Δλ : intervallo spettrale di funzionamento del sensore GRANDEZZE RADIOMETRICHE RADIANZA: valore dell energia trasportata dalle onde elettromagnetiche (radiazione elettromagnetica) nell unità di tempo, per unità di superficie interessata da e di angolo solido dω secondo una direzione (W m -2 sr -1 ) (RIFLETTIVITÀ e RIFLETTANZA)
(GOMARASCA, 1997) (CCRS/CCT, 2003) IMMAGINE DIGITALE MULTISPETTRALE IMMAGINE DIGITALE: matrice di pixel ad ognuno dei quali è associato un numero intero positivo (Digital Number o DN), che rappresenta la radianza media misurata dal pixel del sensore su un area del terreno che individua la cella elementare di risoluzione al suolo (GSD) DATO MULTISPETTRALE: dato generato da sensori differenti che acquisiscono simultaneamente nelle diverse lunghezze d onda. Lo stesso pixel avrà quindi un diverso valore del DN a seconda della banda di acquisizione del sensore che assume
RIPRESE MULTISPETTRALI Le bande più utilizzate sono: BLU (0.45 0.52 nm): aree costiere e degli ambienti marini; processi di correzione atmosferica; analisi sulla vegetazione VERDE (0.52 0.60nm): stato di salute delle piante; vigore della pianta ROSSO (0.63 0.69 nm): analisi della vegetazione; individuazione strade, terreno nudo e caratteristiche geologiche INFRAROSSO VICINO (0.76 0.90 µm): analisi quantitative di umidità e biomassa vegetale; classificazione vegetazione e tipi di suoli; individuazione di confini tra corpi d acqua e vegetazione INFRAROSSO AD ONDE CORTE (1.55 2.35 µm): analisi della salute della vegetazione (è sensibile al contenuto di acqua nella pianta). INFRAROSSO TERMICO ( 8.0-14.0 µm): indagini termografiche, mappatura formazioni geologiche e confini del terreno, processi di dispersione di inquinanti, rilevazione discariche.
VISUALIZZAZIONE DELLE BANDE Blu visibie Colori naturali Green visible Red visible
VISUALIZZAZIONE DELLE BANDE Falso colore (USGS, 2005) (R) Rosso = Infrarosso (G) Verde = Rosso (DE GIGLIO, 2004) (B) Blu = Verde (SPACE IMAGING EUROPE, 2005) Il colore rosso indica la presenza di vegetazione!
RISOLUZIONI DEL DATO RISOLUZIONE SPETTRALE: numero di bande in cui è suddiviso l intervallo di sensibilità spettrale del sistema Sensori Pancromatici Sensori Multispettrali Sensori Iperspettrali RISOLUZIONE SPAZIALE: area minima sul terreno vista dallo strumento da una data altezza ad un dato istante. RISOLUZIONE RADIOMETRICA: minima differenza di intensità che un sensore può rilevare tra due valori di energia radiante RISOLUZIONE TEMPORALE: tempo che intercorre tra acquisizioni successive della stessa area
FIRMA SPETTRALE FIRMA SPETTRALE: curva caratteristica dell oggetto indagato generata dalla variazione dei valori di riflettanza nelle diverse bande
(HTTP://SINGLEDGROWLIGHT.COM) FIRMA SPETTRALE DELLA VEGETAZIONE a) PIGMENTI FOTOSINTETICI Confronto dei profili di assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche del visibile dei pigmenti fotosintetici b) STRUTTURA FOGLIARE Sezione trasversale di una foglia con i principali componenti strutturali che determinano la riflettanza spettrale di vegetazione c) CONTENUTO D ACQUA (MALVOLIA RICCI,2007)
FIRMA SPETTRALE DELLA VEGETAZIONE d) STRUTTURA E STRATIFICAZIONE DELLA COPERTURA VEGETALE (CANOPY) 1. Proprietà di assorbimento e riflessione degli elementi della canopy alle diverse lunghezze d onda (foglie, rami e fusti, fiori, frutti, sottobosco, suolo, etc.) 2. Architettura della canopy (biomassa epigea, LAI, distribuzione delle foglie, grado di copertura, etc.) 3. Condizioni di ripresa (geometria Sole-target-sensore, disturbi atmosferici, etc.)
(BONCIARELLI,2001) FIRMA SPETTRALE DELLA VEGETAZIONE FOTOSINTESI L energia accumulata nelle piante è alimentata dall assorbimento della luce da parte delle foglie STATO DI SALUTE (WWW.BIOLOGIA.UNIGE.IT) CICLI FENOLOGICI VARIETA DI SPECIE
FIRMA SPETTRALE DELLA VEGETAZIONE Dipendenza reciproca tra suoli e vegetazione (BRIVIO, 2006)
INDICI DI VEGETAZIONE Gli indici di vegetazione sono delle combinazioni algebriche delle riflettanze spettrali acquisite nelle regioni visibile e nell infrarosso vicino Si possono dividere in tre categorie: INDICI INTRINSECI INDICI LEGATI ALLA LINEA DEI SUOLI, che riducono l effetto del terreno INDICI CORRETTI PER EFFETTI ATMOSFERICI
(DIPSA.UNIBO) INDICI INTRINSECI DI VEGETAZIONE NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) ρ NDVI = ρ NIR NIR ρ ρ rosso rosso Varia da +1.0 to -1.0: Valori bassi (< 0.1): aree rocciose, sabbiose Valori medi (0.2-0.5): vegetazione arbustiva sparsa o colture senescenti Valori alti (0.6-0.9): vegetazione densa in pieno rigoglio vegetativo LA VEGETAZIONE MALATA riflette maggiormente la luce visibile e meno la radiazione dell IR vicino.
NDVI:esempio 26/05/05 11/06/05 L NDVI è utile a scala globale per il monitoraggio della vegetazione, fornendo stime in merito al benessere della coltura, alla carenza idrica o agli eccessi idrici, agli attacchi patogeni e alla potenziale produzione ottenibile 29/07/05 30/08/05 L NDVI consente un ANALISI SPAZIALE e MULTITEMPORALE per costruire modelli previsionali e prevedere variazioni del raccolto. (DE GIGLIO, 2008)
LINEA DEI SUOLI Se la vegetazione è poco densa, la risposta spettrale viene influenzata dalle caratteristiche dei suoli (colore, contenuto di umidità ) (BRIVIO, 2006) SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) SAVI = ρ ρ NIR NIR + ρ ρ rosso rosso + L ( 1+ L)
INDICI (CITIMAP, 2006)
MAPPE DI VEGETAZIONE Studi della distribuzione di specie e analisi delle comunità ecologiche Mappatura della copertura del suolo Stima della biodiversità Studio dei cicli fenologici Modelli di crecita e sviluppo della vegetazione Valutazione dello stato di salute Variazioni temporali Cambiamenti nella copertura del suolo Studio di fenomeni lenti o rapidi con effetto di alterazione degli equilibri ambientali NB: è fondamentale l integrazione con dati a terra acquisiti mediante le tecniche tradizionali di monitoraggio
PRECISION FARMING Mappatura di indici di vegetazione Classificazioni delle colture Valutazione degli stadi fenologici per la messa a punto di modelli agrometeorologici Monitoraggio delle condizioni di salute e diagnosi precoce di malattia Gestione dei trattamenti e fertilizzazioni Stima delle biomasse Stima dei danni causati da calamità naturali o altri eventi distruttivi Supporto e mappatura per l automatizzazione di spargitori a ratio variabile Gestione delle acque di irrigazione Gestione della produttività agricola Salvaguardia dell ambiente e della salute dell uomo
APPLICAZIONE UAV hexacopter ESAFLY 2005_WH Tetracam ADC Micro con sensore Aptina CMOS
APPLICAZIONE: MODELLO 3D E ORTOIMMAGINE Ricorstruzione modello 3D in falso colore Ortoimmagine a falsi colori
Frequenza relativa (%) APPLICAZIONE: MAPPE INDICI
Frequenza relativa (%) APPLICAZIONE: MAPPE INDICI Candiago, S., Remondino, F., De Giglio, M., Dubbini, M., & Gattelli, M. (2015). Evaluating Multispectral Images and Vegetation Indices for Precision Farming Applications from UAV Images. Remote Sensing, 7(4), 4026-4047.
SVILUPPO ATTUALE: MAIA Camera multispettrale con 9 sensori: 8 sensori monocromatici + 1 sensore a colori (RGB)
PROTOTIPI
BANDE Filter ID Start wl(nm) Stop wl (nm) Cwl (nm) fwhm (nm) BP1 (Violet) 395 450 422.5 55 BP2 (Blue) 455 520 487.5 65 BP3 (Green) 525 575 550 50 BP4 (Yellow-Orange) 580 625 602.5 45 BP5 (Red) 630 690 660 60 BP6 (Red-Edge) 705 745 725 40 BP7 (Nir1) 750 820 785 70 BP8 (Nir2) 825 950 887.5 125
VIOLET (395-450 nm) : studi di aree costiere e ambienti marini (analisi batimetriche); analisi sulla vegetazione (viene assorbita dalla clorofilla nelle piante sane). YELLOW (580-625 nm): resa migliore per i colori naturali delle immagini; processi di classificazione; analisi della vegetazione consentendo di individuare l ingiallimento della vegetazione. RED-EDGE (705-745 nm): analisi approfondita delle condizioni di salute della vegetazione perché maggiormente influenzato dal contenuto di Clorofilla; classificazione della vegetazione (permette di distinguere piante giovani da piante mature e conifere da caducifoglie); si presta ad analisi nel settore dell' Oil and Gas e dell'agricoltura di precisione. NIR2 (825-950 nm): supporto per analisi di vegetazione e di biomasse (meno influenze atmosferiche).
CARATTERISTICHE TECNICHE (1) - 9 Sensori CMOS (1.2 Mpix, GSD di 23 mm a 20m) - Frame Rate fino a 5 Hz (5 acquisizioni al secondo) - Global Shutter (Shutter fino a 1/10.000 di secondo) - 3 Velocità di scatto gestibili da radiocomando - Piattaforma inerziale integrata per i parametri di orientamento - Filtri passa-banda personalizzabili a richiesta - Wi-Fi comandato da remoto con funzione di hot-spot - Interfaccia video analogica - Struttura in alluminio, titanio e carbonio
CARATTERISTICHE TECNICHE (2) - Interfaccia con sistemi GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) per log sincronizzati (PPP, PPK, RTK) - Connettore Gbit-Ethernet - Peso 400gr - Dimensioni 128x99x43mm - WebServer integrato - Disco solido 120GB SSD
Dronitaly, 25-26 settembre 2015 Centro Congresso ATA Hotel Expo Fiera di Milano Precision Farming: il rilevamento aereo multispettrale Michaela De Giglio 1,2, Marco Dubbini 1,2, Mario Gattelli 2 1) Alma Mater - Università di Bologna Sezione di Geografia 2) michaela.degiglio@unibo.it