Utilizzo di dati SAR per lo studio di aree a rischio ambientale

                                                                                                                   Introduzione
2
In questo campo l’osservabile più frequentemente misurata è l’energia
elettromagnetica (EM) proveniente dalle superfici naturali. Misurare questa
grandezza significa quantificare le alterazioni che l’oggetto impone alla radiazione e
quindi alla sua distribuzione spaziale: ciò si traduce nella conoscenza dell’oggetto
studiato.
Il telerilevamento da satellite o aereo consente la sorveglianza ambientale dall’alto,
da quote diverse, in varie regioni dello spettro EM, in tempi diversi e con diverse
risoluzioni spaziali: introduce una nuova filosofia di controllo ed indagine nello
studio del territorio e dei problemi ad esso relativi, basata sulla capacità di indagare
fenomeni non direttamente accessibili all’esperienza umana ed indicativi di situazioni
anomale, difficilmente identificabili in altro modo.
I dati ottenuti mediante le tecniche di telerilevamento offrono caratteristiche
specifiche e presentano vantaggi in qualche caso unici, sia dal punto di vista della
ripresa sia dei suoi contenuti:
- il carattere sinottico delle informazioni permette di ricoprire vaste porzioni del
territorio in maniera uniforme e con una grande omogeneità di misura che in
genere è effettuata in forma numerica, facilitando la sua manipolazione e
trattamento;
- la rapidità d’accesso all’informazione consente in certe condizioni di raggiungere
l’utente in tempo reale;
- l’associazione di dati multipli nel campo dello spettro EM ed il ripetersi nel
tempo dei rilievi sono i concetti di base per la visione multispettrale e
multitemporale.
La caratteristica più importante rispetto ai contenuti è senza dubbio l’estrema
varietà di interessi che un’immagine può sviluppare; il telerilevamento è, infatti, una
                                                                                                                   Introduzione
3
metodologia scientifica multidisciplinare: accanto ai ricercatori di base (fisica e
modellistica) ed agli informatici (elaborazione dei dati e delle immagini) opera una
nutrita schiera di studiosi impegnati nella ricerca applicata (geologia, oceanografia,
agraria etc.).
Benché il telerilevamento sia da considerare una metodologia relativamente
nuova, la sua potenzialità applicativa appare grande ed il suo inserimento nelle
scienze ambientali un dato di fatto. Esso, comunque, non deve essere considerato
una soluzione miracolistica, ma un arricchimento delle altre discipline scientifiche più
collaudate per lo studio dell’ambiente e va preferibilmente accoppiato ed integrato
con le campagne di controllo a terra e le misure in situ [6].
1.2 Struttura dei sistemi di telerilevamento
Un sistema per il telerilevamento, in cui la radiazione EM è il legame che tiene
unite le diverse componenti, può essere schematicamente descritto come segue [6]:
a) Sorgente di energia: la sorgente di radiazione EM può essere naturale, come il
Sole che illumina la Terra che a sua volta riflette una parte di quest’energia, o la
Terra stessa che emette radiazioni termiche, o può essere artificiale, come la luce
di un flash o i segnali a microonde (MW) prodotti da un radar.
b) Interazione con la superficie terrestre: la quantità e le caratteristiche della
radiazione riflessa o emessa dalla Terra sono funzione delle energie in gioco e
della natura degli oggetti osservati (le risposte dei diversi materiali sono tutt’altro
che univoche e vanno attentamente esaminate e studiate).
c) Interazione con l’atmosfera: le radiazioni EM nel loro tragitto tra sorgente e
superficie, e tra superficie e sensore, viaggiano attraverso l’atmosfera ed
interagiscono con i suoi costituenti (nuvole, particelle sospese, vapor acqueo); le
                                                                                                                   Introduzione
4
informazioni che esse portano, quindi, possono subire delle modificazioni e delle
distorsioni.
d) Sensori: strumenti di misura della radiazione EM via via più sofisticati. Essi
vanno dai più semplici come quelli fotografici (pellicole) a quelli elettronici
(antenne): ad ogni tipo, secondo le proprie caratteristiche, compete un particolare
campo d’azione e di sensibilità all’interno di tutta la gamma delle radiazioni EM.
e) Processo di elaborazione ed interpretazione: la componente finale e critica del
sistema è dominata dall’uomo e dalla sua capacità di produrre macchine e sistemi
in grado di elaborare la gran massa di dati che vengono continuamente acquisiti e
di sviluppare metodologie e modelli interpretativi delle informazioni ottenute.
1.3 L’atmosfera
L’atmosfera è il mezzo attraverso il quale l’energia EM viaggia dalla sorgente al
bersaglio e da questo al sensore. Essa interagisce con la radiazione e causa fenomeni
di trasmissione, assorbimento e diffusione (scattering) [7], [8].
a) L’energia trasmessa passa attraverso l’atmosfera e raggiunge inalterata il sensore.
b) L’energia assorbita o viene trattenuta riscaldando l’atmosfera o viene riemessa ad
altre lunghezze d’onda, modificando le sue caratteristiche spettrali. Il fenomeno
dell’assorbimento è dato dall’interazione con i gas atmosferici, in particolare il
vapore acqueo (H
2
O), l’anidride carbonica (CO
2
), l’ossigeno (O
2
) e l’ozono (O
3
).
Esistono però certe regioni dello spettro EM, dette finestre atmosferiche, dove la
radiazione EM può essere trasmessa senza grandi attenuazioni. Le finestre di
trasparenza più importanti sono quelle del visibile (0,4-0,7 µm), dell’infrarosso
vicino (0,7-1,3 µm; 1,5-1,8 µm; 2-2,6 µm), dove c’è l’emissione e la riflessione
                                                                                                                   Introduzione
5
della radiazione solare, quelle dell’infrarosso termico (3-5 µm e 8-14 µm) dove si
trova la radiazione emessa dall’ambiente terrestre ed infine, quella estesa nella
regione delle MW passive e radar (1mm-1m). La conoscenza delle finestre di
trasparenza si rivela fondamentale quando si devono studiare fenomeni
particolari ed occorre definire le caratteristiche dei sensori.
Figura 1.3-1 : Finestre di trasmissione dell'atmosfera e gas che provocano fenomeni di assorbimento
[7].
c) La diffusione, infine, si ha quando la radiazione, interagendo con le particelle
atmosferiche, viene deviata in modo imprevedibile, cioè con la stessa probabilità
in tutte le direzioni. Tale fenomeno ha caratteristiche diverse a seconda del
rapporto tra la lunghezza d’onda della radiazione e le dimensioni delle molecole e
delle particelle dell’atmosfera. La diffusione produce l’effetto foschia ed una
diminuzione della nitidezza delle immagini che in fotografia si correggono
                                                                                                                   Introduzione
6
mediante l’uso di appositi filtri. Questi effetti, comunque, sono maggiori nel
visibile e nell’infrarosso mentre sono trascurabili nel dominio delle microonde.
1.4  Le immagini
I sensori a bordo dei satelliti per l’osservazione della Terra, durante l’orbita,
eseguono delle misure della superficie sottostante, linea dopo linea ininterrottamente.
Queste lunghe strisce vengono suddivise in parti, dette scene, che hanno,
generalmente, la forma di un quadrilatero un po’ sghembo per via della rotazione
terrestre durante l’acquisizione. Per il satellite americano Landsat-TM, ad esempio,
ogni scena copre un’area di 180km× 180km ed è composta da 6000 linee, mentre
ogni linea è formata da 6000 aree elementari o quadratini detti pixel (picture element).
Per ogni pixel viene eseguita una misura di un parametro della radiazione EM, per
esempio l’intensità in una certa banda spettrale. L’insieme di tali misure è ordinato in
una matrice m× n in cui il numero di colonna n e di riga m indicano rispettivamente
la posizione x e y del pixel. L’immagine digitale è dunque una matrice, o raster, di
pixel. La risoluzione geometrica, cioè la dimensione dei lati del pixel, varia dai circa
30m del Landsat-TM ai 10m dello Spot, per arrivare al di sotto del metro con alcuni
satelliti-spia militari.
I sensori sono in grado di eseguire misure in più bande spettrali, per cui della
stessa scena è possibile ottenere diverse immagini digitali: una per ogni banda. Il
risultato, chiamato immagine multispettrale, è una matrice numerica a più dimensioni,
ognuna delle quali descrive la scena osservata nella banda utilizzata, permettendo di
averne una visione più completa.
L’uso pratico dei dati telerilevati, siano essi immagini ottiche o radar, passa
attraverso una serie di procedure (image processing) che consentono di estrarre ed
                                                                                                                   Introduzione
7
interpretare le informazioni contenute nei dati stessi. Un criterio di ordinamento di
questi strumenti tende a suddividerli in due livelli: processi di basso livello,
intendendo con tale termine tutte quelle procedure direttamente orientate
all’estrazione di caratteristiche significative dell’immagine (segmentazione); processi di
alto livello, ossia processi in cui modelli del mondo reale sono confrontati con le
caratteristiche estratte dall’immagine allo scopo di trovare una corrispondenza
(classificazione ed interpretazione) fra scena ed immagine.
1.5 Le tecniche di ripresa
I sistemi strumentali impiegati nel telerilevamento vengono classificati in due
gruppi: passivi ed attivi, a seconda del tipo di sorgente di energia radiante in gioco, che
può essere naturale, come il Sole, oppure artificiale, come i generatori di onde EM
nei sistemi radar.
I sistemi passivi rilevano quella parte di energia radiante, riflessa od emessa,
originata da sorgenti naturali. Come già detto, la sorgente naturale per eccellenza è il
Sole, che influenza, direttamente e non, tutte le forme illuminanti del mondo che ci
circonda. In questo modo, qualunque corpo naturale è a sua volta sorgente di energia
radiante, secondo una catena ininterrotta di trasferimenti e di interazioni.
Le regioni dello spettro EM esplorate in questo tipo di rilevamento sono,
essenzialmente, il visibile, l’infrarosso vicino (che, di solito, comprendono quella
parte di energia interessata a fenomeni di riflessione e trasmissione) e l’infrarosso
medio e lontano, detto anche infrarosso termico (per quei fenomeni legati
soprattutto all’emissione di energia radiante da parte delle superfici naturali).
La maggior parte dei sistemi a bordo dei satelliti per il telerilevamento opera,
appunto, con sensori in grado di rilevare questo tipo di radiazione, siano essi
                                                                                                                   Introduzione
8
emulsioni fotografiche od apparecchiature elettroniche. Fra i sistemi passivi si
ricordano la Large Format Camera impiegata a bordo dello Shuttle ed i sistemi a
scansione MSS e Thematic Mapper dei satelliti Landsat e HRV dei satelliti della serie
Spot.
Con il termine attivo, invece, si intende un sistema di illuminazione, o attivazione
energetica della scena da studiare, di tipo artificiale, come succede con l’impiego dei
flash quando la luce naturale non è più sufficiente ad impressionare l’emulsione
fotografica. Il più importante dei sistemi a rilevamento passivo è l’imaging radar, la cui
configurazione prevede un generatore d’impulsi nella regione delle MW ed
un’antenna per la rice-trasmissione dei segnali. La sua caratteristica principale è di
esser un rilevatore cosiddetto ognitempo, in grado cioè di funzionare sia di giorno sia di
notte ed indipendentemente dalle condizione atmosferiche.
1.6 Radar e SAR
La tecnologia RADAR (RAdio Detection And Ranging) è nata, come anche il
telerilevamento nel visibile ed infrarosso, nel settore militare. Utilizzata dapprima
solo per l’individuazione di oggetti metallici quali aerei o navi, successivamente la sua
applicazione si è estesa, dopo la II Guerra Mondiale, all’osservazione del terreno.
Le peculiarità che la rendono interessante sono [7], [9]:
- La possibilità di utilizzo giorno e notte, essendo indipendente dalla radiazione
solare, ed anche in presenza di una copertura nuvolosa del 100% dato che
l’attenuazione da parte dell’atmosfera è quasi nulla per λ > 3cm.
- La possibilità di controllo del fascio di radiazione emessa in potenza, frequenza,
polarizzazione e direzione.