Nazzareno PierdiccaNazzareno Pierdiccadocente corso docente corso TelerilevamentoTelerilevamento e e Diagnostica ElettromagneticaDiagnostica ElettromagneticaDipartimento Ingegneria Elettronica - Univ. “La Sapienza” di Roma

tel.: 06-44585411 E-mail: nazzareno.pierdicca@uniroma1.it

I moduli sulla Osservazione della TerraI moduli sulla Osservazione della Terra

Gio 21 marzo:• Aspetti introduttivi. N. Pierdicca,

Univ. La Sapienza di Roma• Rischio incendi. G. Sylos Labini,

Planetek

Ven 22 marzo:• Missioni e dati. M. Fea,

ESA/ESRIN• Precipitazioni. F.S. Marzano,

Univ. L’Aquila

Sab 23 marzo:• Rischio inondazioni, instabilità. P.

Cecamore, Telespazio

Lun 15 aprile:• Regione Lombardia

Contenuti del modulo introduttivoContenuti del modulo introduttivo

• Introduzione

• Lo spettro elettromagnetico

• Le quantità misurate ed i principi fisici

• Principi funzionamento sensori

• Le informazioni nei dati telerilevati

• I passi di elaborazione dei dati e gli strumenti

Il Il telerilevamentotelerilevamento: introduzione: introduzione

• Il telerilevamentotelerilevamento è la tecnicache fornisce informazionisull’ambiente senza entrarein contatto con esso

• I sensori misurano laradiazione e.m. che hainteragito con l'oggetto(emissione, diffusione,assorbimento, ecc.)

• I sensorisensori di telerilevamentosono ospitati da piattaformepiattaformeaerospaziale o terrestri

• Il telerilevamentotelerilevamento dallospazio nasce con le foto dellaTerra da Apollo 6

IlIl telerilevamento telerilevamento spaziale spaziale

• Offre una visione sinotticasinottica(grandi estensioni diterritorio in poco tempo)dipendente dallaconfigurazione orbitale

• Si sta concependo un insiemedi missioni che misuranomolteplici componenti/processidel “Sistema Terra”

• Fornisce dati per lo studio suscala globale ma, recentemente,anche rilievi a media/grandescala

• Fornisce rappresentazioni delterritorio raster (immagini,DEM), mappe di parametrigeofisici in supporto a modelliambientali, classificazioni diuso del suolo fruibili in un GIS

Principali applicazioni del Principali applicazioni del telerilevamentotelerilevamento

• Atmosfera: composizione, profili meteo, precipitazioni, vento, inputmodelli forecasting/nowcasting.

• Oceano, attività in mare, aree costiere: circolazione, onde, livello delmare, temperatura, biologia marina, inquinamento.

• Glaciologia: tipologia e movimenti dei ghiacci marini e terrestri• Geologia, geomorfologia, geodesia: faglie e anomalie, movimenti

tettonici, instabilità pendii, identificazione tipi di roccia• Climatologia: comprensione processi climatici, desertificazione• Topografia e cartografia: DEM, carte di base e tematiche• Agricoltura, foreste, botanica: mappatura, stato fenologico e di

salute, umidità, stima di produzione, indicazioni colturali.• Idrologia e idrogeologia: risorse idriche, precipitazioni, input modelli

di run-off, evapotraspirazione, erodibilità dei suoli• Previsione e controllo eventi catastrofici, valutazione di rischi:

incendi, alluvioni, instabilità, controllo zone inaccessibili• Gestione del territorio: inventari risorse. supporto alla pianificazione,

valutazione impatto ambientale

Orbite e coperture della superficie terrestreOrbite e coperture della superficie terrestre

Orbite geostazionariegeostazionarie: 36000 kmOrbite quasi polariquasi polari: 600-800 km

Copertura giornaliera orbitaquasi polare e conseguenteripetitività

I punti di vista: satellite I punti di vista: satellite geostazionariogeostazionario

I punti di vista: satelliti high I punti di vista: satelliti high resolutionresolution

Costellazioni di satellitiCostellazioni di satelliti

• Copertura satellite singolo

• Copertura costellazione

Lo spettro elettromagneticoLo spettro elettromagnetico

Banda lunghezza d'onda

Ultravioletto 3 nm - 0.4 µm

Visibile (VIS) 0.4 - 0.7 µm

Infrarosso 0.7 - 300 µm

Infr. vicino (NIR) 0.7 - 1.3 µm

Infr. medio (MIR) 1.7 - 4.2 µm

Infr. Termico (TIR) 8 - 14 µm

Infr. lontano 14 µm - 1 mm

Microonde 0.3 - 300 cm

Banda frequenza lungh. d'ondaP 0.3 - 1 GHz 30 - 100 cmL 1 - 2 GHz 15 - 30 cmS 2 - 4 GHz 7.5 - 15 cmC 4 - 8 GHz 3.75 - 7.5 cmX 8 - 12.5 GHz 2.4 - 3.75 cm

Trasmittanza Trasmittanza e finestre atmosferichee finestre atmosferiche

Radianza Radianza ed emissione termicaed emissione termica

λϑλφϑλ

ddAdWd

ddAdWd

Lapp cos

),(22

ΩΩ== dA

dΩ

1

125

2

−=

kThcCNe

hcL

λλλ π

σ 4TLCN =

)()(),,,(),,( BCNCN TLTLTeTL == λλ λϕϑϕϑ

Radianza spettrale emessa oricevuta da una superficie

Radianza emessa dalla superficie di un CorpoNero (CN) a temperatura T (legge di Plank)

Radianza emessa da un corpo reale a temperaturaT (emissività e, temperatura di corpo nero TB

L’emissione di corpi a diverse temperatureL’emissione di corpi a diverse temperature

Parametri di interazione della superficieParametri di interazione della superficie

),(),(

ii

a

i

aii EdA

dWdWdW

aϕϑ

ϕϑ⋅

==

),(),(

ii

t

i

tii EdA

dWdWdW

tϕϑ

ϕϑ⋅

===

),(),(

iii

sii E

MdWdW

wϕϑ

ϕϑ ==

γ−−= wa 1

Assorbanza a

trasmittanza t

albedo superficiale w(riflettività)

Per la conservazioneenergia:

T[K]dA

Fig.12

Legge di Legge di KirchoffKirchoff

wae −== 1dΩi

dΩs

Lega l’emissività e di una superficie di un mezzoindefinito dissipativo alla sua assorbività a (inequilibrio termodinamico)

Nota:• Un corpo buon emettitore è anche buon assorbitore• Una corpo molto riflettente è cattivo emettitore /

assorbitore

TelerilevamentoTelerilevamento quantitativo quantitativo

Es: radiazione sorgente (es. sole)Ea: " atmosfera (down)Ea': " atmosfera (up)Ee: " emessa da superficieEi: " incidente su superficiet: % trasmessa dall'atmosferar: % riflessa dalla superficie

Et=t(rEi+Ee)+Ea'Ei=tEs+Ea

Trasferimentoradiativo

Fattori utente caratterizzanti missione TLRFattori utente caratterizzanti missione TLR

• Fattori geometrici– Risoluzione geometrica– Copertura / campo di vista (swath)– Accuratezza geometrica (relativa o assoluta)

• Fattori spettrali– Risoluzione spettrale– Numero di canali spettrali

• Fattori radiometrici– Risoluzione radiometrica– Range dinamico ed accuratezza radiometrica

• Risoluzione temporale (ripetitività)• Fattori operativi

– Tempo di acquisizione dato dalla richiesta– Tempo disponibilità dato (dall’acquisizione o dalla richiesta)– Supporto all’utente

• Fattori economici (costo dei dati)

Risoluzioni sistema TLRRisoluzioni sistema TLR

• RISOLUZIONE GEOMETRICA– Minima distanza tra due punti distinguibili (in m, deg)– Dipende da sensore (ottica, rivelatori, antenne) e quota

piattaforma

• RISOLUZIONE RADIOMETRICA– Minima variazione di segnale distinguibile (dal rumore) (∆T in

K, ∆R in wst-1m-2Hz-1, ∆σ° in dB)– Dipende principalmente da sensore (rapporto S/N)

• RISOLUZIONE SPETTRALE– Larghezza della banda a cui è sensibile il sensore (∆f in Hz, ∆λ

in µm)– Dipende principalmente da sensore

• RISOLUZIONE TEMPORALE– Tempo tra due osservazioni medesimo punto (in giorni)– Dipende da piattaforma (es. orbita)

Confronto tra risoluzioni: 1, 3 e 10 metriConfronto tra risoluzioni: 1, 3 e 10 metri

Sorgenti, sensori, piattaformeSorgenti, sensori, piattaforme• Sorgenti principali della radiazione

– Sole

– Oggetto osservato (radiazione emessa termicamente dall'oggetto)

– Sensore (tecniche attive)

• Sensori

– Attivi: ricevitori+trasmettitori, dotati di sorgente propria (misurano leproprietà di trasmissione, riflessione e diffusione da parte dell'oggetto)

– Passivi o radiometri: ricevitori, privi di sorgente propria (misurano leproprietà di emissione dell'oggetto ovvero quelle di trasmissione,riflessione e diffusione nel caso di presenza di altra sorgente come ilSole)

• Piattaforme

– Terrestre: copertura limitata, elevata frequenza temporale, ricerca esviluppo

– Aerea: copertura media, elevata flessibilità, ricerca e sviluppo

– Spaziale: vista sinottica di aree molto vaste, regolarità di ripresa

Sensori passivi ed attiviSensori passivi ed attivi

IR and MW: emission, temperatureVIS NIR: reflectivity, scattering coeff.

Reflectivity, scattering coefficients

PASSIVE SENSOR ACTIVE SENSOR

receivingantenna

transmittingantenna

receivingantenna

Principio sistemi otticiPrincipio sistemi ottici

Oggetto

Immagine

Obiettivo

Lungh.focale

Lungh. focale [mm]

Diaframma

Otturatore

Lente

Quota [km] x 1000SCALASCALA =

RisolRisol. geometrica sensori elettro-ottici. geometrica sensori elettro-ottici

F= Lungh.focale

H=Quota

D=Dim. detector

Linear IFOVEIFOV

Ang. IFO

V

Linear IFOV=HD/F

EIFOV>IFOV

• IFOVIFOV: Instantaneous Field Of View;

• EIFOVEIFOV: Effective IFOV

Telescopio

Tecniche di scansioneTecniche di scansione

Rivelatore

Ottica

Specchiooscillante

Movimento piattaforma

Direzionescansione

Array (o matrice) di

Ottica

Movimento piattaforma

rivelatori

SCANSIONE MECCANICASCANSIONE MECCANICA– Elevato campo di vista– Infrarosso

SCANSIONE PUSHBROOMSCANSIONE PUSHBROOM– Migliore risoluzione geometrica– Fedeltà geometrica

Sensori Sensori multispettralimultispettrali

Banda 1

Banda 2

Banda 3

Array didetector

Prismadispersivo

Beamsplitter

Specchio

Specchio

LE TECNICHELE TECNICHE• Elementi disperisivi (filtri, griglie dispersive• Filtri ad interferenza ed ad assorbimento

ESEMPIESEMPI

Modalità di ripresa (EROS A-B)Modalità di ripresa (EROS A-B)

Satellite Ground Track

Per gentile concessione di Informatica per il Territorio S.r.l.

Modalità di ripresa asincrona (EROS A-B)Modalità di ripresa asincrona (EROS A-B)

Per gentile concessione di Informatica per il Territorio S.r.l.

SATELLITE ORBIT

SATELLITE GROUND TRACK

OBSERVATION TIMESWATH

Principio radiometro a microondePrincipio radiometro a microonde

XRF

amplifierIF

amplifier

Receiver Integrator Recorder

Calibrator

Apparentbrightnesstemperature

Antenna• MISURA Radianza

emessa (da superficieterrestre e atmosfera)

• DIPENDE DATemperatura terrenoed atmosfera,proprieta' emissive(umidita’, rugosita',etc.)

Linear IFOV=Hλ/L

L= Dimensione antenna

H

Schema base del radarSchema base del radar

BERSAGLIOBERSAGLIO

SWITCHOSCILL.

TRASMETTITORE

RICEVITORE

ELABORATORE

Display Registratore

ANTENNA

Il radar d’immagine (SLAR, SAR)Il radar d’immagine (SLAR, SAR)

direzioneal ong track

direzioneaccross track

sla ntrang e

ag

s

ant en na

s

a

g

= Rλ /D

= cτ/2= cτ/2sinθ

riso

luzi

one

Principio dell’antenna sintetica (SAR)Principio dell’antenna sintetica (SAR)

• Sfruttando il movimento della piattaforma si ricostruisce l’eco radar diun’antenna sintetica (L) molto più lunga dell’antenna reale (D)

• La risoluzione lungo la traccia (in azimuth) è determinata dall’antennasintetica: ρ≈D/2

velocita' aereoRegistratore

L = lunghezza aperturasinteticaElaboratore a

terra

immagine altarisoluzione Generico bersaglio

Geometria osservazione SARGeometria osservazione SAR

• Risoluzione in range⇒ banda impulso

ρr=c/2B

• Risoluzione in azimuth ⇒lunghezza apertura sintetica

ρα=Nlook * D/2

Telerilevamento Telerilevamento ottico VIS e ottico VIS e Near Near IRIR

• Alle frequenze ottiche VIS eNear IR si misura la radiazioneriflessa (da superficie, nubi,etc)

• Dipende dailluminazione,direzioneosservazione,assorbimenti,morfologia

Radiazione solare e finestre atmosfericheRadiazione solare e finestre atmosferiche

Informazioni “primarie” nei dati VIS, N-IRInformazioni “primarie” nei dati VIS, N-IR

• Vegetazione– Assorbimento clorofilla (VIS) (stato vegetazione)– Assorbimento acqua (N-IR: 1.4 e 1.9 µm) (stress idrico)– Diffusione Near-IR (biomassa)

• Superficie marina/acque– Assorbimenti clorofilla e pigmenti (VIS: 0.44 e 0.52 µm)– Diffusione sedimenti (VIS: 0.7-0.8 µm)

• Suoli e roccie– Assorbimenti dipendenti dalla composizione (rilevabili con

sensori iperspettrali)• Atmosfera

– Diffusione nubi (dipendente da spessore) e areosol• Rappresentazione cartografica (es. VIS-PAN)• DEM da coppie stereo

Informazioni “primarie” nei dati Th-IRInformazioni “primarie” nei dati Th-IR

• Superficie terrestre– Temperatura

– Effetti emissività (es. SI-O2 nelle roccie)

• Superficie marina/acque– Temperatura (emissività unitaria)

• Atmosfera– Temperatura nubi

Informazioni “primarie” dati a microondeInformazioni “primarie” dati a microonde

f = c/λf: frequenza

λ: lungh. d’onda

SENSORI PASSIVI (Radiometro)• MISURANO Radianza emessa (da

superficie terrestre e atmosfera)• DIPENDE DA Temperatura terreno ed

atmosfera, proprieta' emissive(umidita’, rugosita', etc.)

SENSORI ATTIVI (RADAR)• MISURANO reirradiazione da

superficie terrestre e atmosfera, altreproprieta’ eco radar (ritardo, forma,fase, etc.)

• DIPENDE DA proprietà dielettriche(umidita’) e struttura geometricaovvero rugosita' superficiale a scalacentimetrica (componentivegetazione, pioggia, etc.), rugositàa scala decametrica (rilievi)

Retrodiffusione Retrodiffusione radar e polarizzazioneradar e polarizzazione

Caso verticale

Polarizzazione onda (intrasmissione e in ricezione)

TrasmissioneH o V

RicezioneH o V

• Il radar misura le proprietà diretrodiffusione

• si possono avere diversecombinazioni di polarizzazioneHH, VV, HV (o VH)

Caratteristiche immagini radarCaratteristiche immagini radar

• TONO– Descrive le proprieta' di reirradiazione superficie terrestre e marina.– Influenzato da effetti della pendenza locale, rugosità,umidità, etc.

• "layover”• ombre

• TESSITURA– Oltre alla tessitura propria della scena presente granulosita' (effetto

“sale e pepe”) caratteristica di sistemi coerenti denominata "speckle"• GEOMETRIA

– In assenza di adeguate correzioni, presenti deformazioni caratteristichedella tecnica di ripresa (risoluzione in distanza), particolarmente inpresenza di rilievi

• deformazione “slant range-ground range” (peggioramento dellarisoluzione dal “far range” al “near range”)

• “foreshortening” (avvicinamento verso il sensore dei punti piu'elevati)

Fattori influenzanti la risposta radarFattori influenzanti la risposta radar

onda incidente

onda trasmessa

• PROFONDITA' DIPENETRAZIONEInfluenzata dalcontenuto diumidita'

• RIFLESSIONISPECULARI

superf. liscia superf. rugosa

• RUGOSITA'SUPERFICIALE. Inrelazione allafrequenzadell'onda

• EFFETTI DIVOLUME

L’informazione nel SAR: contenuto d’acquaL’informazione nel SAR: contenuto d’acqua

A: Suolo irrigato B: Suolo non irrigato

L’informazione SAR: effetti strutturaliL’informazione SAR: effetti strutturali

• Ridges and valleys thattrend N 30° E are stronglyenhanced in the N 60° Eimage

• Similar features illuminatedfrom the N 30° E directionare emphasized if theirlinear orientations trend N60° E.

• Illumination should beperpendicular to thetrend that stands out.

• In airborne radarimagery we can choseflight line directions tounderscore andaccentuate certaindirections of interest

Informazioni nella fase: Informazioni nella fase: InterferometriaInterferometria SAR SAR

• Radargrammetria • Interferometria (I-SAR)assoluta e differenziale

R1R2

∆R

∆Φ∆Φ : Differenza di fase (modulo 2π)

Generazione di DEMGenerazione di DEM

• Stereoscopia (coppie di immagini ottiche)

• Radargrammetria (coppie di immagini SAR)

• Interferometria assoluta (dati SAR in ampiezza efase)

Multiple Multiple pass interferometrypass interferometry: il caso ERS: il caso ERS

• ERS-1/2 tandem mission:optimal baseline, minimumtime decorrelation (1 day)