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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 = σT 4 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.
Per questo motivo i corpi,
scaldandosi, tendono ad emettere
radiazione visibile.
Il picco di eccitanza viene detto
temperatura di colore.
Esempi di temperature di colore:
- lampadine a incandescenza: 3500 K (luce “calda”)
- lampada allo Xenon: 5500 K (simile a quella solare)
- tubi fluorescenti: 7000 K (luce …. “fredda”)
290°K
Curve di eccitanza del corpo nero a
temperature prossime a quelle del
Sole e della Terra

Legge di Wien
La lunghezza d’onda alla quale si
registra il picco di emissione è
inversamente proporzionale alla
temperatura T.
λ (Μ max)
λT = cost
= 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
290°K
Per i corpi reali, l’emissione
segue la legge
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.
290°K
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).
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 μm): infrarosso emesso *
infrarosso termico (TIR, 7.0-20,0 μm): infrarosso emesso *
* emesso anche dalla superficie terrestre

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
Assorbimento
Trasmissione
diffusione geometrica (particella
molto più grande della lunghezza
d’onda)
diffusione multipla (radiazione
incidente su una moltidutine di
piccole particelle)
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 Esposizione
Atmosfera
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

Sole alle spalle
dell’osservatore
Osservazioni sperimentali
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

Percent Reflectance
a.
Riflettanza dell’acqua limpida e con diversi livelli di
concentrazione di sedimenti
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
Clayey soil
clear water
200
150
100
50
250
1,000 mg/l
0
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
Wavelength (nm)
300
Percent Reflectance
b.
14
12
10
8
6
4
2
Silty soil
clear water
350
300
250
200
400
550
500
450
150
100
50
1,000 mg/l
600
0
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
Wavelength (nm)
Han, 1997; Jensen, 2000

Percent Reflectance
a.
Riflettanza dell’acqua limpida e con diversi livelli di
concentrazione di alghe
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
clear
water
algae-laden
400 500 600 700 800 900
Wavelength (nm)
water
Percent Reflectance
b.
25
20
15
10
5
0
Algae-Laden Water with Various
Suspended Sediment Concentrations
0 mg/l
400 500 600 700 800 900
Wavelength (nm)
Han, 1997;
Jensen, 2000
500 mg/l

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 2 O

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