Corso sul telerilevamento – prima parte: nozioni introduttive

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Una delle principali applicazioni dei sistemi satellitari è senza dubbio il telerilevamento (in inglese, remote sensing), ossia quella tecnologia, basata sul campionamento della radiazione elettromagnetica, atta ad acquisire ed interpretare dati geospaziali per ottenere informazioni inerenti la superficie e l'atmosfera della Terra o di altri corpi celesti. In senso più lato, il telerilevamento consiste nella rilevazione e misura di onde elettromagnetiche provenienti da oggetti situati a distanza dallo strumento rilevatore, giungendo in tal modo ad identificarli e categorizzarli per tipologia, composizione e distribuzione spaziale.

Su Elettronica Open Source sono stati pubblicati diversi articoli riguardanti i satelliti artificiali (solo per fare qualche esempio: I satelliti - Cosa sono?, I satelliti - Finestra di Lancio, I satelliti - Orbite satellitari, L'Elettronica a bordo di un satellite), ma non mi risulta che sia mai stato affrontato tale argomento. Questo è il primo di tre articoli con cui vorrei provare ad esporre in maniera sufficientemente chiara ed esaustiva i principali rudimenti di questa disciplina tecnico-scientifica.

 

1 Cenni storici

Si può affermare che il telerilevamento abbia avuto inizio nel 1840, quando, grazie alle mongolfiere, furono scattate le prime foto dall’alto con la macchina fotografica appena inventata. La fotografia aerea si rivelò uno strumento utile soprattutto durante le due guerre mondiali (una macchina fotografica automatica venne inserita persino nei missili tedeschi V2).

Il telerilevamento satellitare, invece, nacque nel 1957 con l'avvento dello Sputnik; da allora, fu possibile utilizzare macchine da ripresa nello spazio, grazie ai satelliti sui quali venivano installate. A partire dal 1960, vennero montati su satelliti metereologici dei sensori che acquisivano immagini in bianco e nero della Terra.

Il telerilevamento raggiunse la sua maturità all’inizio degli anni ‘70, grazie a strumenti che consentivano l'acquisizione periodica di immagini della superficie terrestre, come quelli a bordo del Landsat, il primo satellite espressamente dedicato al monitoraggio di terre e oceani allo scopo di mappare risorse culturali e naturali. Sensori simili furono montati anche, ad esempio, sullo Skylab e sullo Space Shuttle. Nel 1980, il Landsat venne privatizzato e in diverse nazioni, tra cui Francia, Stati Uniti, Russia e Giappone, ebbe inizio un utilizzo più vasto e commerciale del telerilevamento.

 

2 Fenomeni fisici alla base del telerilevamento

Sono tre i modi in cui la radiazione elettromagnetica interagisce con la materia:

  1. trasmissione: parte della radiazione penetra in alcuni mezzi attraversandoli;
  2. assorbimento: parte della radiazione è assorbita attraverso interazioni molecolari o elettroniche con il mezzo attraversato; in seguito, potrà essere parzialmente riemessa (emittanza);
  3. riflessione: parte della radiazione è riflessa e diffusa dal mezzo.

Di seguito, è riportato un diagramma che illustra l’interazione delle onde elettromagnetiche con l’atmosfera:

 

Il blu evidenzia le zone di minima radiazione incidente e/o riflessa, mentre in bianco sono riportate le aree, note come finestre atmosferiche, in cui la radiazione presenta interazioni di scarsa rilevanza con i gas dell’atmosfera, e può quindi attraversarla con alterazioni minime dovute all'assorbimento. La maggior parte dei sensori per il telerilevamento è stata costruita per operare in una o più di tali finestre: essi effettuano le misurazioni utilizzando rilevatori “sintonizzati” su quelle frequenze che attraversano l'atmosfera. Alcuni sensori, in particolar modo quelli presenti sui satelliti metereologici, analizzano direttamente i fenomeni di assorbimento, come quelli dovuti all’anidride carbonica e ad altri gas. Si osservi come l'atmosfera sia praticamente opaca alle onde elettromagnetiche in buona parte dell'infrarosso. Nella regione delle microonde, invece, la maggior parte della radiazione attraversa l'atmosfera non ostacolata.

La quantità di radiazione elettromagnetica riflessa da un qualsiasi oggetto varia al variare della lunghezza d'onda. Ciò consente l'identificazione di diverse sostanze o materiali (terra, roccia, acqua, sabbia, vegetazione, ecc.) attraverso la loro firma spettrale o curva spettrale, come mostrato nella seguente figura:

 

Dal grafico si evince che, ad esempio, la sabbia può riflettere più luce della vegetazione a certe lunghezze d'onda, ma può assorbirne di più ad altre. In linea di principio, vari tipi di superficie possono essere riconosciuti e distinti fra loro grazie a tali differenze di riflettività.

In pratica, oggetti e proprietà della superficie terrestre sono descritti in termini di classi piuttosto che di materia. Si consideri, per esempio, il calcestruzzo; lo si può trovare in: strade, parcheggi, piscine, edifici e altre strutture, ciascuna delle quali può essere considerata una classe. La vegetazione può essere distinta in: alberi, coltivazioni, prati, alghe, eccetera; si può ricorrere anche a suddivisioni ulteriori, classificando, ad esempio, gli alberi come decidui o sempreverdi.

Le varie classi sono distinte anche attraverso altre due proprietà: la forma e l'uso o il contesto. Quindi, una struttura di calcestruzzo può far parte della classe “strada” o della classe “parcheggio” a seconda della sua forma. Due oggetti con caratteristiche spettrali pressoché identiche di vegetazione potrebbero essere assegnati alla classe “foresta” o alla classe “area coltivata” in funzione della regolarità dei loro contorni.

In conclusione, l’obiettivo di un qualsiasi sistema di telerilevamento è la rilevazione di onde elettromagnetiche provenienti dalla superficie terrestre o dall’atmosfera, la determinazione delle loro firme spettrali e la correlazione delle classi che esse rappresentano. Tutto ciò ha, come risultato, la visualizzazione di un prodotto interpretabile, che può essere una mappa o un insieme di dati numerici, il quale rispecchia le caratteristiche di una porzione della superficie terrestre o dell'atmosfera fornendo indicazioni sulla natura e sulla distribuzione degli oggetti ivi presenti.

 

3 Sensori

Un sensore è uno strumento capace di acquisire informazioni inerenti un qualsiasi oggetto che emetta onde elettromagnetiche (proprie o riflesse) attraverso la loro misura e registrazione. In realtà, la radiazione effettiva misurata da un sensore posto su un satellite risente degli effetti di assorbimento e diffusione cui è soggetta durante la sua propagazione attraverso l'atmosfera. Più del 50% dello spettro elettromagnetico è inutilizzabile poiché la radiazione corrispondente è ostacolata dall'atmosfera. In definitiva, ciò che viene registrato dal sensore non è soltanto la radiazione proveniente dalla superficie terrestre, ma anche il risultato di tutti questi processi fisici di interazione con le particelle atmosferiche.

I sensori si suddividono in:  

  1. Attivi: generano la radiazione che colpisce l'oggetto che deve essere osservato e ne registrano l'eco di ritorno. Hanno il vantaggio di essere indipendenti dalla luce solare e lo svantaggio di richiedere notevoli quantità di energia per “illuminare” adeguatamente l'oggetto. Un esempio di sensore attivo è il Radar ad Apertura Sintetica (SAR).
  2. Passivi: non generano alcuna radiazione e quindi misurano solo quella disponibile naturalmente (emessa o riflessa dagli oggetti). La misura di onde elettromagnetiche riflesse può avvenire solo quando il Sole illumina la Terra, ovvero solamente di giorno. La radiazione emessa naturalmente (come quella dell'infrarosso termico), invece, può essere registrata sia di giorno che di notte, purché sia in quantità sufficiente.

Una proprietà fondamentale di ogni sensore è la risoluzione, che può essere di quattro tipi: spaziale, radiometrica, spettrale e temporale.

La risoluzione spaziale o geometrica è la capacità di un sensore di discriminare due oggetti tra loro vicini. Più precisamente, è definita come la distanza minima entro la quale due oggetti appaiono distinti nell'immagine telerilevata. Naturalmente, il dettaglio in una immagine dipende dalla risoluzione spaziale dello strumento; la quale, a sua volta, dipende dall’IFOV (Instantaneous Field Of View), ovvero campo di vista istantaneo, del sensore. L'IFOV è l’angolo solido di visibilità del sensore e determina l'area della superficie terrestre osservabile ad una data altezza e in un particolare momento. Quest'area è detta cella di risoluzione e individua la risoluzione spaziale dello strumento (la risoluzione è il diametro della cella). Affinché un oggetto sia osservabile, la sua dimensione deve essere maggiore o uguale a quella della cella di risoluzione. Le immagini prodotte da sensori per il telerilevamento sono immagini digitali e, in quanto tali, sono composte da pixel (contrazione della locuzione inglese picture element), ciascuno dei quali corrisponde a una cella di risoluzione.

 

La risoluzione radiometrica rappresenta la minima differenza che un sensore può rilevare tra due valori di energia della radiazione elettromagnetica captata. Migliore è la risoluzione radiometrica di un sensore, più sono piccole le differenze minime nell'energia elettromagnetica rilevata che esso è in grado di registrare. Si può anche definire come il numero di livelli in cui può essere scomposto il segnale captato, che dipende dal numero di bit usati per rappresentare l'energia registrata; se, ad esempio, un sensore usa 8 bit per registrare i dati, i valori disponibili sono 2^8 = 256 (0, 1, 2, ..., 255); tali valori sono detti numeri digitali o numeri indice. I dati, in un’immagine telerilevata, sono generalmente visualizzati in un intervallo di toni di grigio, con il nero che corrisponde al valore 0 e il bianco che rappresenta il valore massimo (per esempio, 255 in dati a 8 bit); ad ogni pixel è associato un numero digitale (in altre parole, ogni foto satellitare in bianco e nero è una matrice di numeri digitali). Più alto è il numero di livelli di grigio, migliore è la risoluzione radiometrica.

La risoluzione spettrale è l'ampiezza delle bande spettrali risolte dal sensore, ossia il minimo intervallo tra le lunghezze d'onda medie di due bande spettrali che un sensore può distinguere. Migliore è la risoluzione spettrale, più sottile è l'intervallo di lunghezze d'onda per una particolare banda. Ad esempio, le pellicole in bianco e nero sono caratterizzate da una risoluzione spettrale inferiore rispetto a quella delle pellicole a colori. Esistono sensori che registrano l'energia di intervalli separati di lunghezza d'onda a diverse risoluzioni spettrali; sono detti sensori multispettrali.

La risoluzione temporale è il periodo di tempo che intercorre tra due riprese successive della stessa area, detto anche tempo di rivisita. Grazie al fatto che c'è una certa sovrapposizione dell'ampiezza di ripresa di orbite adiacenti per la maggior parte dei satelliti, alcune aree della Terra possono essere riprese più frequentemente. Inoltre, alcuni satelliti hanno la capacità di orientare i loro sensori per riprendere la stessa area in passaggi differenti con intervalli temporali più ristretti. La striscia di superficie terrestre esplorata dai sensori di un satellite durante il suo moto prende il nome di swath.

 

4 Le orbite

La selezione dell'orbita di un satellite per telerilevamento è determinata principalmente dal tempo di rivisita e dalla distanza Terra - satellite. Normalmente, per missioni ad alta risoluzione, si predilige un’orbita LEO con altitudine compresa tra 300 e 1000 km. La selezione di tale orbita rappresenta sempre un compromesso tra la necessità di monitorare la Terra da vicino e la necessità di evitare gli effetti perturbativi, come l'attrito atmosferico, che un orbita troppo bassa comporta.

Un altro parametro rilevante è l'inclinazione dell'orbita rispetto al piano dell'equatore. Orbite con elevata inclinazione, come quelle polari, consentono una copertura pressoché totale della Terra, mentre piccole inclinazioni sono preferite quando l’obiettivo è monitorare specificatamente certe zone, soprattutto quelle situate a basse latitudini.

L'orbita geostazionaria è un'ottima scelta quando il sensore del satellite deve essere costantemente orientato verso un preciso punto della superficie terrestre, in modo da acquisire dati inerenti sempre e solo quella data zona. Lo svantaggio principale di quest'orbita è costituito dalla notevole distanza del satellite dalla Terra, che ovviamente rende più difficile ottenere immagini ad alta risoluzione.

 

5 Trasmissione dei dati

I dati ottenuti dalle missioni di telerilevamento possono essere trasmessi direttamente a terra, se esiste una stazione ricevente, o Ground Receiving Station (GRS), “visibile” al satellite; altrimenti, possono essere registrati a bordo del satellite e trasmessi al GRS in un momento successivo. I dati possono essere anche inviati al GRS attraverso i Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS), una rete di satelliti per telecomunicazioni in orbita geosincrona; essi vengono trasmessi da un satellite TDRSS ad un altro, finché non raggiungono il GRS a cui sono destinati.

I dati, una volta ricevuti dalla stazione ricevente, vengono processati per correggere tutte le distorsioni subite durante la trasmissione e convertiti in un formato standard. Sono poi registrati su supporti come nastri, dischi o CD Rom, per essere infine archiviati. Gli archivi di dati telerilevati così ottenuti sono gestiti sia dalle agenzie governative che da alcune compagnie commerciali.

 

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12 Comments

  1. Giorgio B. Giorgio B. 19 dicembre 2013
  2. Marco Giancola Marco Giancola 19 dicembre 2013
  3. Max Caruso 19 dicembre 2013
  4. Marco Giancola Marco Giancola 19 dicembre 2013
  5. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 20 dicembre 2013
  6. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 20 dicembre 2013
  7. Marco Giancola Marco Giancola 20 dicembre 2013
  8. matt0 17 gennaio 2014
  9. matt0 21 gennaio 2014
  10. Marco Giancola Marco Giancola 21 gennaio 2014
  11. matt0 21 gennaio 2014
  12. Giorgio B. Giorgio B. 22 gennaio 2014

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