8
1. IL TELERILEVAMENTO
Il Telerilevamento è definibile come l‟insieme di tecniche, strumenti e
mezzi interpretativi, che permettono l‟acquisizione a distanza
4
di dati ri-
guardanti il territorio e l‟ambiente e la loro successiva elaborazione e in-
terpretazione.
Le informazioni vengono acqui-
site da aereo, satellite o piatta-
forme dotate di strumenti, i sen-
sori, che misurano l‟energia irra-
diata o riflessa dalla superficie
terrestre
5
.
Le informazioni che servono
vengono estratte tramite elabora-
zione, essenzialmente numerica,
dei dati telerilevati
6
.
Il vantaggio principale nell‟eseguire questo tipo di analisi è che il dato ri-
levato da lontano consente di analizzare aree molto più estese di quanto
si possa fare in loco, mettendo in evidenza fenomeni altrimenti difficil-
mente identificabili. E‟ come osservare un mosaico a distanza sufficiente
per comprendere il significato della rappresentazione che non può essere
compreso osservando una singola tessera, come ad esempio l‟effetto del-
la deformazione del terreno in corrispondenza di faglie sismiche (fig. 1).
4
distanza che può variare da qualche metro (proximal sensing) fino a migliaia di chilometri (remote
sensing), come nel caso di osservazioni effettuate dai satelliti geostazionari (36.000 Km).
5
Selvini A., Guzzetti F., “Cartografia generale - tematica e numerica”, Capitolo 15,. UTET, 1999.
6
Richards J. A., “Remote sensing digital image analysis”, Springer – Verlag, 1993.
Fig. 1: deformazioni del terreno nella zona dell‟Etna.
Immagine tratta da: Prati C. “Note di fondamenti di te-
lerilevamento” Politecnico di Milano, Dipartimento
di Elettronica e Informazione, 2005
9
Inoltre ci sono situazioni in cui e‟ molto difficile, rischioso o impossibile
effettuare la misura in loco come, ad esempio, nel caso dei vulcani attivi,
dei ghiacciai o zone disastrate.
Un esempio recente e‟ rappresentato dalle immagini telerilevate dello
tsunami che ha cambiato l‟aspetto delle coste asiatiche (fig. 2).
Lo schema generale di un sistema di telerilevamento e‟ costituito da al-
cuni elementi tipici
7
:
• La sorgente di energia. L‟elemento che si vuole telerilevare de-
ve emettere esso stesso dell‟energia, tipicamente elettromagneti-
ca, o deve essere illuminato da una sorgente che può essere natu-
rale, come il sole, o artificiale, come il radar.
• Interazione con l’atmosfera. L‟energia emessa dalla sorgente o
direttamente dall‟elemento da telerilevare deve passare attraverso
l‟atmosfera con la quale interagisce. Questa interazione va tenuta
7
Burroug P. A., Mc Donnell, “Principles of Geographical Information Systems”, Oxford University
Press, London, 1998.
Zilioli E., “Appunti e spunti di telerilevamento”, CNR e Regione Lombardia, Milano, 2000.
Fig. 2. Immagine tratta da: Prati C. “Note di fondamenti di telerilevamento” Politecnico di Milano, Di-
partimento di Elettronica e Informazione, 2005
10
in conto sia nella progettazione dei sistemi di telerilevamento
8
, sia
nell‟elaborazione dei dati.
• Interazione con l’elemento da telerilevare. L‟effetto
dell‟interazione della radiazione elettromagnetica con l‟elemento
da telerilevare dipende sia dalle caratteristiche fisico-chimiche
dell‟elemento sia dalla frequenza della radiazione utilizzata.
• Misura dell’energia emessa o riflessa dall’elemento da teleri-
levare. E‟ necessario progettare sensori in grado funzionare a di-
stanza secondo certe specifiche.
• Analisi dei dati. L‟energia misurata dal sensore deve essere ana-
lizzata per estrarre l‟informazione d‟interesse. L‟analisi del dato
telerilevato è generalmente eseguita a terra tramite tecniche di e-
laborazione numerica dei segnali.
8
Bisogna tenere conto che alcune lunghezza d‟onda vengono completamente assorbite dall‟atmosfera.
L‟energia elettromagnetica che trasporta le informazioni utili nel campo del telerilevamento è,
nell‟uso pratico, limitata alle bande del visibile, infrarosso, microonde, qualche esperienza viene con-
dotta anche in banda ultravioletta, nonostante i limiti imposti dal comportamento dell‟atmosfera in
questa regione dello spettro elettromagnetico.
11
1.1 La natura della radiazione elettromagnetica
Le onde elettromagnetiche sono radiazioni del campo elettromagnetico
che si propagano nello spazio alla stessa velocità della luce
9
. Tali onde
sono generate da sorgenti elettriche, ossia cariche elettriche accellerate,
che col loro moto irradiano nello spazio circostante parte dell‟energia
posseduta, provocando un‟alterazione dello spazio circostante.
Secondo la teoria ondulatoria
un‟onda elettromagnetica
10
è
composta da un campo elettrico
E e da un campo magnetico M,
tra loro ortogonali (fig. 3). I due
campi hanno, nel tempo, un an-
damento sinusoidale con fre-
quenza che può variare con con-
tinuità da valori nulli a valori
molto alti.
La frequenza dell‟onda è data
dal numero dei cicli al secondo e
viene misurata in Hertz
11
.
Dato che le onde elettromagneti-
che si propagano nel vuoto alla
velocità della luce c, un ciclo dell‟onda elettromagnetica ha una lunghez-
9
Velocità della luce nel vuoto : C 300.000km/s.
10
Enciclopedia Encarta 2008.
11
Multipli dell‟Hertz:
1 kilohertz (simbolo kHz ) = 10
3
Hz
1 megahertz (simbolo MHz ) = 10
6
Hz
1 gigahertz (simbolo GHz ) = 10
9
Hz
1 terahertz (simbolo THz ) = 10
12
Hz
1 petahertz (simbolo PHz ) = 10
15
Hz
1 exahertz (simbolo EHz ) = 10
18
Hz
Fig. 3: composizione dell‟onda elettromagnetica.
Fig. 4: rappresentazione della lunghezza d‟onda.
12
za pari a λ =
c
, che è detta lunghezza d‟onda
12
. La lunghezza d‟onda
rappresenta, graficamente, la distanza tra due massimi o due minimi
dell‟onda (fig. 4). L'insieme delle radiazioni, o possibili frequenze delle
onde, costituisce lo spettro elettromagnetico.
Le onde non trasportano materia ma energia e sono classificate in base
alla loro frequenza; più alta è la frequenza e tanto più alta sarà l‟energia
associata a tale onda.
Con la vista riusciamo a percepire lunghezze d'onda comprese tra i 400 e
i 700 nanometri (nm) a cui diamo il nome di luce visibile.
Lunghezze d'onda minori corrispondono ai raggi ultravioletti, ai raggi X
ed ai raggi gamma che hanno tutti frequenza superiore alla luce visibile e
perciò maggiore energia.
Le radiazioni infrarosse, le onde radio e le microonde hanno invece lun-
ghezze d'onda maggiori della luce e trasportano energia inferiore.
Come l'orecchio ha dei limiti nella percezione del suono, l'occhio umano
ha dei limiti nella visione della luce. In entrambi i casi vi sono limiti su-
periori e inferiori. L'occhio non può vedere la radiazione elettromagneti-
ca oltre la zona violetta dello spettro e al di sotto della zona rossa. Lo
spettro elettromagnetico si compone delle zone al di sopra e al di sotto di
questi limiti, incluso il campo visibile.
È interessante rilevare che solo una parte assai limitata dello spettro con-
tiene radiazioni visibili all'occhio. Per quanto le onde delle diverse zone
abbiano tutte le stesse proprietà, si impiega il termine luce solo per la
parte visibile dello spettro e le due zone circostanti. Le parti di luce visi-
bile dello spettro sono emesse da corpi incandescenti. Il campo di raggi
gamma rappresenta il risultato della disintegrazione radioattiva. Le onde
12
Frequenza ν e lunghezza d‟onda λ sono due grandezze inversamente proporzionali, ciò vuol dire che
all‟aumentare di una diminuisce il valore dell‟altra.
13
radio possono essere generate da scariche che producono onde elettro-
magnetiche. Comunque si distinguano varie zone nello spettro, non si
può dire che esistano tra esse limiti netti.
Le varie zone dello spettro elettromagnetico sono denominate bande. Le
bande maggiormente utilizzate ai fini del telerilevamento sono quelle del
visibile e dell‟infrarosso.
L‟infrarosso a sua volta è di-
stinto in:
• INFRAROSSO VICINO
(VIR):
0.75 – 3.0 μm
• INFRAROSSO MEDIO
(MIR):
3.0 – 6.0 μm
• INFRAROSSO LONTA-
NO E TERMICO (TIR):
6.0 – 20.0 μm
Oltre alla natura ondulatoria, la radiazione elettromagnetica possiede una
natura corpuscolare (dualismo onda-particella)
13
.
Ci sono delle differenze ovvie tra particelle ed onde, almeno ad una pri-
ma visione superficiale. Una particella è localizzata esattamente in qual-
che luogo; un'onda è distribuita in una regione di spazio senza confini
definiti. Una particella ha una massa e delle dimensioni precise; un'onda
13
Halliday D., Resnick R., Walker J., “Fondamenti di fisica”, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 3^
edizione, 1995.
Fig. 5: Spettro elettromagnetico
14
A
A
B
B
è priva di massa e non ha delle dimensioni ben definite. Inoltre le quanti-
tà che abbiamo usato per definire le onde (lunghezza d'onda, e frequen-
za) sembrano non avere alcun significato per le particelle. Nonostante
ciò De Broglie
14
con una brillante intuizione fuse le idee di onda e di par-
ticella.
Sia le onde che le particelle possono muoversi da un luogo ad un altro
con una velocità ben determinata; sia le onde che le particelle possono
trasportare energia da un punto ad un altro.
Dati allora due punti A e B, possiamo trasferire impulsi, fornire energia,
da A a B in due modi:
a) con un'onda
b) con una palla (o altro oggetto materiale; in particolare: una parti-
cella)
Va detto comunque che l'onda non è una particella: le onde, in qualche
modo, hanno delle caratteristiche corpuscolari ; le particelle, in qualche
modo, hanno delle caratteristiche ondulatorie ed i due concetti sono stret-
tamente connessi.
Si possono, quindi, considerare le particelle come pezzetti di materia
purché vengano associati a delle onde; in questo caso vale la relazione:
14
De Broglie, Louis-Victor (Dieppe 1892 - Neuilly-sur-Seine 1987), fisico francese. Compì studi di
storia a Parigi in vista di una possibile carriera diplomatica, per poi cambiare rotta e dedicarsi definiti-
vamente alla fisica, e in particolare alla nascente teoria della meccanica quantistica. Già nella tesi di
dottorato, discussa nel 1924, espose la teoria che lo avrebbe reso celebre: il dualismo onda-particella e
la meccanica ondulatoria. La teoria muoveva dalla considerazione che, così come la radiazione elet-
tromagnetica manifestava, nell‟ambito di alcuni fenomeni fisici, caratteristiche tipicamente corpusco-
lari, anche le particelle – e in particolare gli elettroni – potessero presentare caratteristiche ondulatorie.
L‟ipotesi del dualismo onda-particella ricevette la conferma sperimentale nel 1927 e, nel 1929, De
Broglie fu insignito del premio Nobel per la fisica. (Enciclopedia Encarta 2008).
15
E = h ν
Dove: E è l‟energia di un fotone
h è la costante di Planck che vale 6,626 x 10
-34
J/s
ν è la frequenza dell‟onda associata al fotone.
16
1.2. Principi fondamentali del telerilevamento
Qualunque superficie esterna di un corpo, a temperatura superiore allo
zero assoluto
15
emette radiazioni elettromagnetiche proprie che coprono
porzioni di spettro variabili in funzione della lunghezza d‟onda e dipen-
dono dalla temperatura del corpo e dalla natura
16
della superficie; la stes-
sa superficie riflette, assorbe o si lascia attraversare dalle radiazioni elet-
tromagnetiche provenienti dall‟esterno secondo i parametri:
1. ρ = E
r
/ E
i
con 0 ≤ ρ ≤ 1 è il coefficiente di riflessione
2. τ = E
t
/ E
i
con 0 ≤ τ ≤ 1 è il coefficiente di trasmissione
3. α = E
a
/ E
i
con 0 ≤ α ≤ 1 è il coefficiente di assorbimento
E
i
è l‟energia incidente su S.
E
r
è l‟energia riflessa da S.
E
a
è l‟energia assorbita da S.
E
t
è l‟energia trasmessa attraverso
S.
E
i
= E
r
+ E
a
+ E
t
Questi coefficienti dipendono stret-
tamente dalla natura fisica delle superfici e dal loro grado di lucidatura o
rugosità.
Quando colpisce un oggetto, la luce
17
può essere riflessa, diffusa o as-
sorbita. In relazione alla natura della superficie su cui incide la radiazio-
15
Per zero assoluto s‟intende lo zero della scala Kelvin, pari a – 273,14°C (ossia: °K = °C + 273,14).
16
La natura di un corpo è indicata dalle sue caratteristiche chimiche, fisiche e geometriche.
17
La luce è un tipo di radiazione elettromagnetica, come il calore, le onde radio e i raggi X. Consiste
sostanzialmente di rapidissime oscillazioni del campo elettromagnetico, in un particolare intervallo di
frequenze che possono essere rivelate dall‟occhio umano e che costituiscono il cosiddetto “campo del
visibile”. I diversi colori della luce corrispondono alle diverse frequenze di vibrazione del campo elet-
tromagnetico, che sono comprese tra circa 4 × 10
14
vibrazioni al secondo per la luce rossa, e circa 7,5
× 10
14
vibrazioni al secondo per quella violetta.
S
E
i
E
r
E
a
E
t
Fig. 6
17
ne, alcune frequenze vengono riflesse o diffuse meglio di altre, e ciò de-
termina il colore con cui sono percepiti i vari oggetti. Le superfici bian-
che riflettono con la stessa intensità tutte le lunghezze d‟onda della luce,
mentre quelle che appaiono nere assorbono praticamente tutta la radia-
zione incidente.
Sulla superficie terrestre arriva solo una parte dell‟energia emessa dal
Sole; l‟atmosfera svolge una funzione di filtraggio (fig. 7). Tale energia
utile ai fini del telerilevamento viene rilevata da sensori
18
che possono
essere passivi o attivi.
Il sensore passivo, o ottico (fig. 8a), rileva la radiazione elettroma-
gnetica riflessa dalla super-
ficie terrestre o diffusa e ri-
fratta dall‟atmosfera; non
può rilevare la radiazione
riflessa dalla superficie ter-
restre in condizioni di co-
pertura nuvolosa o di notte.
E‟ importante sottolineare
che i sensori passivi rileva-
no una radiazione modifi-
cata dall‟effetto di disturbo
dell‟atmosfera, per questo si preferisce osservare la superficie terre-
stre in bande spettrali dove l‟assorbimento atmosferico è basso.
Col sensore attivo, o radar (fig. 8b), la radiazione elettromagnetica
viene prodotta artificialmente emettendo un segnale (microonde) ver-
18
I sensori per le risorse terrestri non effettuano “fotografie” della superficie terrestre, ma misurano la
percentuale di energia radiante incidente che viene riflessa (riflettanza) dalle superfici dei vari corpi
presenti al suolo in funzione di:
• condizioni ambientali (periodo dell‟anno, condizione fisica, chimica e struttura geometrica delle su-
perfici),
• condizioni di ripresa (geometria Sole–superficie–sensore).
Fig. 7
18
so la superficie terrestre e successivamente viene misurata la quantità
di energia riflessa. Importante è che, a differenza dei sensori ottici, il
segnale del radar non è condizionato dalla copertura nuvolosa o dai
componenti dell‟atmosfera ed inoltre il suo funzionamento non di-
pende dalla luce solare, visto che esso possiede una “luce propria”.
Fig. 8a Fig. 8b
Immagini tratte da: Dainelli N., “Fotointerpretazione e telerilevamento per l’acquisizione e l’elaborazione
dei dati territoriali”, Società Italiana di Geologia Ambientale Toscana, 2005.
19
1.2.1. Interazione della radiazione con l’atmosfera
Indipendentemente dalla sorgente, tutta la radiazione registrata dai sen-
sori per il telerilevamento
19
passa per una certa porzione di atmosfera
L‟effetto dell‟atmosfera sulla radiazione elettromagnetica varia al variare
di diversi parametri, come:
• la lunghezza del percorso dell‟energia nell‟atmosfera,
• la magnitudine del segnale elettromagnetico registrato,
• le condizioni atmosferiche,
• la lunghezza d‟onda della radiazione coinvolta.
L‟effetto dell‟atmosfera si esplica attraverso i meccanismi di diffusione e
assorbimento.
La diffusione atmosferica è un processo imprevedibile per il quale la ra-
diazione elettromagnetica, incidendo su particelle presenti
nell‟atmosfera, viene sparsa in varie direzioni. Si distinguono:
La diffusione di Rayleigh, si ha quando l‟energia elettromagneti-
ca interagisce con molecole presenti nell‟atmosfera le cui dimen-
sioni sono molto più piccole rispetto alla lunghezza d‟onda della
radiazione elettromagnetica. L‟effetto della diffusione di Rayleigh
è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza
d‟onda. Quindi, la radiazione a piccola lunghezza d‟onda viene
diffusa maggiormente rispetto a quella a grande lunghezza d‟onda.
Il blu del cielo è causato da questo tipo di diffusione.
La diffusione di Mie si ha quando la radiazione elettromagnetica
interagisce con particelle di dimensioni confrontabili con la lun-
ghezza d‟onda dell‟energia registrata. Tipiche particelle sono quel-
19
Richards J. A., “Remote sensing digital image analysis”, Springer - Verlag, 1993.
20
le di vapor d‟acqua e polvere. Questa diffusione interessa lun-
ghezze d‟onda più grandi rispetto a quella di Rayleigh.
La diffusione non selettiva si ha quando le particelle con cui la
radiazione interagisce sono molto più grandi della lunghezza
d‟onda (tipicamente le gocce d‟acqua); la radiazione interessata va
da 5 a 100 μm e per questo la diffusione viene definita non seletti-
va. Le nuvole bianche sono un effetto della diffusione non seletti-
va.
In contrapposizione alla diffusione, l‟assorbimento atmosferico si tradu-
ce in una effettiva perdita di energia. Di solito l‟assorbimento è selettivo,
cioè avviene a determinate lunghezze d‟onda.
Il vapor acqueo, l‟anidride carbonica e l‟ozono sono tipici assorbenti
dell‟energia elettromagnetica solare. Dal momento che questi gas assor-
bono specifiche lunghezze d‟onda, essi determinano anche dove il senso-
re può registrare spettralmente.
Gli intervalli di lunghezza d‟onda nei quali l‟atmosfera è particolarmente
trasmissiva
20
per l‟energia elettromagnetica sono definiti come finestre
atmosferiche
21
.
20
cioè dove non assorbe
21
Amadesi E., “Fotointerpretazione e aerofotogrammetria”, Pitagora Editrice, Bologna, 1975.
21
1.2.2. Interazione della radiazione con la superficie terrestre
Come già accennato, le proporzioni di energia riflessa, assorbita e tra-
smessa variano per differenti tipi di superficie
22
, in base al materiale di
cui è costituita e alle sue condizioni.
Sono queste differenze nell‟interagire con l‟energia che ci permettono di
distinguere i diversi elementi in un‟immagine.
Non solo, ma la dipendenza dell‟energia dalla lunghezza d‟onda signifi-
ca che, per ogni singolo tipo di superficie, le proporzioni di energia ri-
flessa, assorbita e trasmessa saranno diverse a diverse lunghezze d‟onda.
Per questo, due oggetti possono risultare non distinguibili in un dato in-
tervallo spettrale ed esserlo in un altro (fig.10).
22
Dainelli N., “Fotointerpretazione e telerilevamento per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati ter-
ritoriali”, Società Italiana di Geologia Ambientale Toscana, 2005.
Fig. 9: interazione della radiazione con superficie terrestre (Dainelli N., 2005).
22
Al-
tra conseguenza della dipendenza dell‟energia dalla lunghezza d‟onda
sono i colori.
Per esempio, nel visibile, chiamiamo un oggetto “blu”, se esso riflette in
maniera predominante la radiazione nella regione spettrale del blu (da
0,4 a 0,5 μm).
Fig. 10a: Vecchia pubblicità Kodak del
1943 sulle pellicole all‟infrarosso. La
fabbrica rappresentata nella foto pan-
cromatica è visibile e rappresenta un
facile bersaglio per i bombardieri
Fig. 10b: La fabbrica viene coperta con
materiale mimetico e, ripresa con una
pellicola pancromatica, effettivamente
si confonde con il paesaggio circostante
Fig. 10c: Ripresa con una pellicola
all‟infrarosso, il materiale mimetico,
costituito da piante morte, crea una
chiazza nera anomala rispetto
all‟intorno, per cui un fotointerprete e-
sperto può ravvisare un tentativo di
mimetismo
Immagini tratte da: Dainelli N., “Fotointerpretazione e telerilevamento per l’acquisizione e
l’elaborazione dei dati territoriali”, Società Italiana di Geologia Ambientale Toscana, 2005.
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