Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio A.A. 2012-2013 Telerilevamento e SIT Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci Telerilevamento: principi fisici
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.
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)
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
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 )
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 800-1000 K, si utilizzerà un sensore in grado di rilevare la banda spettrale intorno ai 4µm.
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.
Curva di eccitanza del Sole L atmosfera filtra la radiazione e sulla Terra arriva solo una parte dell energia emessa dal Sole
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.
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
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.
Lo spettro visibile - VIS Violetto 380-430 nm Blu 430-475 nm Blu-verde 475-490 nm Verde 490-550 nm Giallo 550-580 nm Arancio 580-620 nm Rosso 620-750 nm
Lo spettro infrarosso infrarosso vicino (NIR Near InfraRed, 0.75-1.3 µm), viene riflesso dalla superficie terrestre, come la radiazione visibile, e può essere rilevato da speciali pellicole fotografiche: infrarosso riflesso infrarosso onde corte (SWIR, 1.5-2.5 µm): infrarosso riflesso ed emesso * infrarosso onde medie (MWIR, 3.5-5.2 infrarosso termico (TIR, 7.0-20,0 * emesso anche dalla superficie terrestre µm): infrarosso emesso * µm): infrarosso emesso *
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
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)
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.
La curva di riflettanza Descrive l andamento della riflettanza, per una data superficie, in funzione della lunghezza d onda (intervallo spettrale).
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).
Bidirezionalità della riflettanza Superficie Lambertiana Superficie non-lambertiana
Osservazioni sperimentali Sole alle spalle dell osservatore Sole di fronte all osservatore
Sole alle spalle dell osservatore Sole di fronte all osservatore
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
Misura della BRDF in campo
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
ESEMPIO: l'acqua emette radiazione nell'intervallo dell'infrarosso termico (7.0-20,0 µm) temperatura dei mari
ESEMPIO: l acqua non riflette nell intervallo dell infrarosso vicino (0.75-1.3 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).
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 490-550 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
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
Riflettanza dell acqua limpida e con diversi livelli di concentrazione di sedimenti 5 Clayey soil 12 Percent Reflectance 4 1,000 mg/l 350 250 200 150 3.5 3 100 2.5 50 2 clear water 1.5 10 300 250 200 8 150 0 400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) 800 850 900 b. 0 400 600 50 4 clear water 2 0.5 400 100 6 1 a. 550 500 450 Silty soil 300 Percent Reflectance 4.5 14 1,000 mg/l 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) 750 Han, 1997; Jensen, 2000 800 850 900
Riflettanza dell acqua limpida e con diversi livelli di concentrazione di alghe 25 4 Algae-Laden Water with Various Suspended Sediment Concentrations 3.5 20 2.5 clear 500 mg/l water algae-laden Percent Reflectance Percent Reflectance 3 water 2 1.5 1 15 10 5 0.5 0 a. 400 0 mg/l 0 500 600 700 Wavelength (nm) 800 900 b. 400 500 600 700 Wavelength (nm) Han, 1997; Jensen, 2000 800 900
La curva di riflettanza della neve
Differenze nella riflettanza di neve e nuvole Jensen, 2000
La curva di riflettanza di diversi suoli nudi a differente contenuto di umidità H 2O
La curva di riflettanza del suolo con differente contenuto di sostanza organica
La curva di riflettanza della vegetazione
Confronto tra curva di riflettanza della vegetazione e curva di assorbanza dell acqua