Telerilevamento

Telerilevamento

Introduzione

Per Telerilevamento (dall'inglese Remote Sensing) si intende 'l'acquisizione di informazioni su un oggetto per mezzo di uno stru­mento non in contatto con esso'. L'oggetto, nella presente ricerca, è l'ambiente terrestre, mentre le informazioni riguardano sia l'identificazione del tipo di mezzo osservato (se oceano, foresta, zona urbana, zona agricola, ecc.) sia alcune sue proprietà fisiche (es. temperatura, umidità, caratteristiche geometriche, quantità di biomas­sa, ecc.). Un sistema di Telerilevamento (TLR) è un sistema di misura di tipo indiretto. Lo strumento usato, infatti, misura potenze ricevute per effetto di interazioni tra campi elettromagnetici e mezzo osserva­to; l'entità e le caratteristiche di queste interazioni sono legate alle proprietà fisiche del mezzo stesso.

Si supponga di voler stimare parametri caratteristici di una superficie terrestre o marina in altre parole di un fenomeno atmo­sferico I sistemi di misura di tipo classico (rilevamento) usano, in generale, strumenti che sono a diretto contatto con il mezzo osservato e ne campionano le caratteristiche in singoli punti. Nei sistemi di TLR, invece, la misura è effettuata tramite un'antenna che è distante dalla zona osservata e può essere in moto relativo (rotatorio e/o traslatorio) rispetto ad essa. I metodi classici hanno il vantaggio di una misura in generale più precisa. I metodi di TLR hanno invece il vantaggio di poter ottenere mappe estese del fenomeno fisico osservato, invece che misure su singoli punti; inoltre la misura, essendo effettuata a distanza, è non perturbativa. Per ricostruire la mappa che i sistemi di TLR sono in grado di produrre, occorre usare strumenti di tipo classico posti tra loro a distanze che sono tanto minori quanto maggiore è la variabilità spaziale del fenomeno osservato. La conve­nienza dei sistemi di TLR, pertanto, è fortemente legata a tale variabi­lità spaziale.

I sistemi di TLR sono classi­ficabili in 'attivi' e 'passivi'. Nei sistemi attivi lo strumento, che è ricetrasmittente, irradia potenza elettromagnetica e misura la frazione di essa che è riflessa all'indietro dal mezzo osservato; nei sistemi passivi ­lo strumento è puramente ricevente e misura la potenza elettroma­gnetica spontaneamente emessa dal mezzo osservato. Verranno ana­lizzate nel seguito, nei vari casi applicativi, le convenienze dell'uno o l'altro sistema e le situazioni in cui è utile disporre di ambedue, operanti in sinergia.

In questa ricerca considereremo prevalentemente sistemi per il TLR della superficie terrestre.

Bande di lunghezza d'onda

Da quanto detto risulta che l'informazione è prodotta e trasportata da campi elettromagnetici. La Fig.1.2 classifica i sistemi di TLR e ne illustra alcuni aspetti rilevanti sulla base di un parametro fondamentale dei campi elettromagnetici, la lunghezza d'onda "λ". Le caratteristiche in funzione di λ sono dette anche 'spettrali'. Nella figura é mostrato un intervallo ampio, da 0.2μm a 100m. All'interno di esso identifichiamo alcuni sottointervalli (bande) fondamentali:

- Visibile (VIS), 0.4-0.7μm;

- Infrarosso vicino (NIR = near infrared), 0.7-2μm;

- Infrarosso termico (TIR = thermal infrared), 2-20μm;

- Infrarosso lontano (FIR = far infrared), 20-300μm;

- Onde submillimetriche, 300μm -1mm;

- Onde millimetriche, 1mm - 1cm;

- Microonde (MW), 1 cm -1m.

Il diagramma (a) mostra l'andamento della densità di potenza elettromagnetica emessa dalle sorgenti naturali e utilizzabile nei sistemi passivi. La curva a1 mostra la densità di potenza emessa dal sole e intercettata dalla superficie terrestre, mentre la curva a2 mostra la densità di potenza direttamente emessa dalla superficie terrestre. Il primo contributo è nettamente dominante nel VIS e nel NIR; il secondo contributo è apprezzabile nel TIR, soprattutto per λ>10μm e continua ad essere presente fino alle microonde (anche se la scala della figura lo rende poco evidente).

Il diagramma (b) mostra l'andamento della percentuale di potenza che si propaga attraverso l'atmosfera (trasmissività). Nelle diverse bande si nota quanto segue.

VIS. Come è noto, la trasmissività è vicina al 100%.

NIR e TIR. Sono presenti intervalli di λ caratterizzati da forte opacità. Quest'effetto è legato a fenomeni di risonanza molecolare dei costituenti atmosferici. A queste lunghezze d'onda sono associate transizioni tra stati energetici della molecola contigui tra loro, con conseguente presenza di picchi di assorbimento. Dal punto di vista elettromagnetico il fenomeno è descritto dalla parte immaginaria della costante dielettrica ε, che presenta accentuati picchi in prossimità delle λ di risonanza. Nel NIR e TIR l'assorbimento è dovuto principalmente al vapor d'acqua e, in misura minore, a ossigeno, CO2, ozono, ecc

Intervallo da 20μm a 1mm. Esistono numerose bande di assor­bimento, a cui contribuiscono quasi tutti i componenti atmosferi­ci. Le bande sono contigue l'una all'altra (o parzialmente sovrap­poste) e l'effetto complessivo che ne risulta è quello di una forte opacità che rende quest'intervallo di λ poco utilizzabile per il TLR della superficie.

Microonde. Esistono alcuni picchi di assorbimento dovuti a H2O ed O2 alle λ più basse, mentre per λ>1.5cm la trasmissività si avvicina al 100%.

Va detto che il diagramma (b) è valido in condizioni di aria chiara. La presenza di nubi rende generalmente opache le bande VIS, NIR, TIR, mentre a microonde, almeno per λ>1.5cm, le misure sono degradate solo in caso di forte pioggia. Nella zona bassa di Fig.1.2 sono indicati, per le varie bande, i corrispondenti sistemi di TLR (detti anche 'sensori'). Nella presente ricerca non considereremo l'occhio umano (che può essere consi­derato il più antico sistema di TLR) e i sistemi fotografici, anche se è interessante ricordare che questi ultimi, potendo operare anche nel NIR, possono avere sensibilità diverse da quelle dell'occhio umano. Considereremo invece sistemi in cui l'informazione è ricevuta ed ela­borata con strumenti di tipo elettronico. Le definizioni di radiometro (eventualmente multispettrale e/o scanner) e radar saranno chiarite nel seguito.

L'informazione nei sistemi di TLR

Come precedentemente detto l'informazione sulle proprietà fisi­che del mezzo osservato nasce da un'interazione elettromagnetica. Tale interazione consiste nella riflessione di un'onda e.m. incidente nel caso di sistemi attivi, ovvero nell'emissione di potenza e.m. nel caso dei sistemi passivi. Il suddetto meccanismo di interazione genera in ogni caso potenza e.m. che viene ricevuta dal sensore. Poiché il sensore è in moto relativo rispetto al mezzo osservato, potenze misu­rate a diversi istanti corrispondono a diverse zone osservate. Lo stru­mento di misura produrrà pertanto una serie temporale di dati, ciascu­no dei quali corrisponde a rilevamenti effettuati su una singola zona in una o più bande. La quantità di informazione prodotta nell'unità di tempo è in generale molto elevata (nei sistemi su satellite è tipicamen­te di alcune decine di Mbit/sec) e richiede un notevole sistema infor­matico per acquisire e archiviare i dati, nonché per organizzare la distribuzione agli utenti. Gli utenti analizzano i dati per finalità scien­tifiche e/o applicative.

Lo strumento misura parametri elettromagnetici, che quantifica­no l'attitudine del mezzo osservato a riflettere o ad emettere. Tali parametri elettromagnetici sono legati ai parametri fisici d'interesse applicativo. Occorre tradurre questi legami in leggi di tipo quantitati­vo. A tal scopo esistono due approcci.

Approccio empirico-statistico. Contemporaneamente alle misure di TLR si effettuano rilevamenti in sito dei parametri fisici del mezzo osservato. Si determinano le corrispondenti leggi mediante correlazioni statistiche.

Approccio teorico. Si determinano le leggi di corrispondenza per mezzo di modelli.

L'uso combinato di ambedue gli approcci è oggi ritenuto fondamentale per produrre leggi di corrispondenza affidabili. Nel caso del mare, i parametri applicativi potenzialmente teleri­levabili sono soprattutto temperatura, salinità, dinamica interna, presenza di ghiaccio o d'inquinanti. Nel caso del suolo i sistemi di TLR sono sensibili alle caratteristiche geologiche e idrologiche, nonché alla copertura di vegetazione o neve.

Classificazione dei sensori

In conformità a quanto detto si possono classificare i sensori in base alla lunghezza d'onda e alla natura in attivi o passivi

Sistemi Attivi. Il LIDAR (Light detection and ranging) opera prevalentemente nel visibile o nell'ultravioletto. La sorgente è costituita da un laser, il ricevitore da un telescopio.

Il RADAR (Radio detection and ranging) opera a microonde.

Sistemi passivi. Vengono in genere definiti "Radiometri", a qualsiasi lunghezza d'onda. Se operano su più bande vengono definiti 'multispettrali'. Il radiometro all'infrarosso è detto anche 'termico'. Va precisato che, pur essendo un radiometro in ogni caso un ricevitore, è diverso il processo fisico che genera la potenza ricevuta (e quindi il tipo d'informazione) nelle diverse bande. Nel VIS e NIR (Fig.1.3) è il sole la sorgente primaria di energia; il radiometro misura la parte di que­sta riflessa dalla superficie terrestre, e l'informazione riguarderà l'attitudine di quest'ultima a riflettere. Nel TIR e a MW la sorgente primaria di energia è la terra stessa, e il radiometro misurerà potenza direttamente emessa. I due contributi sono mostrati quantitativamente in Fig.1.4. Il sole è una sorgente a 5900 K, molto più 'calda' della terra, che è una sorgente a 300 K. Soltanto una parte minima della radiazione solare, però, è contenuta nel cono sotteso dalla terra, che ha ~0.50˚ di apertura.

I sensori possono essere classificati anche in base ad altri criteri.

- Allocazione: terra/mare (torre, nave), aereo, satellite;

- Mezzo osservato: atmosfera, terra solida, mare;

- Applicazioni: meteorologiche, idrogeologiche, agroforestali, ocea­nografiche, ecc.