Il Telerilevamento (remote sensing) è l’insieme di strumenti, tecniche e metodi interpretativi che permettono di estendere e migliorare le capacità percettive dell’occhio umano, fornendo all’osservatore informazioni qualitative e quantitative su caratteristiche fisiche di elementi del mondo reale localizzati a distanza.
Gli usi civili del telerilevamento per l’Osservazione della Terra risalgono a più di 50 anni fa e consistono nell’acquisizione a distanza di informazioni telerilevate riguardanti il territorio e l’ambiente nonché l’insieme dei metodi e delle tecniche per l’elaborazione digitale delle immagini e la loro interpretazione.
In generale le informazioni telerilevate sono relative allo spettro del campo elettromagnetico e sono derivate direttamente o indirettamente senza contatto fisico con l’elemento da investigare. Le distanze dell’elemento osservato possono variare da qualche metro a migliaia di km come nel caso delle osservazioni effettuate da sensori posti su satelliti geostazionari in orbita ad una distanza di circa 36.000 km dalla superficie terrestre (Figura 1).
Lo spettro elettromagnetico (Figura 2) è l’insieme continuo delle radiazioni elettromagnetiche ordinate secondo la loro frequenza (n) espressa in hertz (Hz), o lunghezza d’onda (l) espressa in micron (mm), dove la lunghezza d’onda (l) è inversamente proporzionale alla frequenza (n). Le radiazioni elettromagnetiche possono essere rappresentate da onde con diversa lunghezza d’onda (l) che si muovono a una velocità costante (la velocità della luce).
Percezione dell’occhio umano e luce solare
Lo spettro visibile (parte ingrandita dello spettro elettromagnetico in Figura 2), in fisica, è quella parte dello spettro elettromagnetico che cade tra il rosso (con lunghezza d’onda più lunga) e il violetto (con lunghezza d’onda più corta) includendo tutte le radiazioni elettromagnetiche percepibili dall’occhio umano come i colori dell’arcobaleno, che danno vita al fenomeno della luce. La luce del Sole, detta ‘luce bianca’, contiene tutti i colori dell’arcobaleno. E’ possibile vedere le componenti cromatiche di un raggio di luce, vale a dire i colori, se lo si fa incidere sulla superficie di un prisma di vetro, deviando ogni componente in base alla sua lunghezza d’onda, in un processo noto come dispersione (Figura 3 a.). La componente con lunghezza d’onda più breve (violetta e blu), ha un’energia maggiore e quindi una maggiore intensità e viene deviata maggiormente rispetto alla luce con lunghezza d’onda più lunga (rosso).
Scorrendo in modo continuo le componenti cromatiche dell’arcobaleno emesse dal prisma con una cellula fotoelettrica, o fotocellula, è possibile tracciare un grafico delle intensità rispetto alle lunghezze d’onda (l) (Figura 3 b.).
Oltre la percezione dell’occhio umano
Esistono però altre componenti dello spettro elettromagnetico, altre radiazioni, a cui l’occhio umano non è sensibile, quali ad esempio i raggi x, gamma, microonde, ultravioletti e infrarossi.
Circa il 50% dell’energia del raggio di luce solare è costituita da radiazione infrarossa.
Per misurarle occorrono strumenti ad hoc che traducono queste radiazioni in segnali elettrici. Per esempio, con termocamere e radiometri si può misurare il calore degli oggetti osservati dovuto alla radiazione infrarossa da essi emessa o riflessa.
La luce solare riflessa
La luce del Sole quando colpisce una superficie ne viene in parte riflessa e in parte assorbita (Figura 4). La parte riflessa determina il colore della superficie stessa (Figura 4). La maggior parte delle superfici del mondo reale non riflette solo un colore ma una miscela di colori in diversa proporzione.
Si definisce ‘comportamento spettrale’ di una superficie il grafico che mostra la percentuale della luce riflessa, in funzione della lunghezza d’onda (l). Ad esempio, la vegetazione riflette gran parte della luce nelle componenti dello spettro visibile e in particolare la clorofilla, il pigmento fotosintetico presente nelle piante, assorbe principalmente la luce blu e rossa e riflette la luce verde, conferendo alle piante il caratteristico colore verde che il nostro occhio percepisce (Figura 5).
Tuttavia, la vegetazione riflette la luce anche in altre componenti dello spettro elettromagnetico. Ad esempio, le piante assorbono solo una piccola porzione della radiazione infrarossa incidente, e ne riflettono invece una grande quantità.
La conoscenza del comportamento spettrale di una superficie è utilizzata dai programmi di analisi di immagini multispettrali satellitari per il riconoscimento e la classificazione delle superfici; ad esempio, per la mappatura e la classificazione delle coperture vegetali.
I sensori, ‘occhi’ del Telerilevamento
Per acquisire e misurare i dati relativi alla radiazione riflessa dalle superfici di aree terrestri o marine osservate in remoto, il telerilevamento utilizza sensori, che possono essere di due tipi: attivi o passivi.
I sensori attivi emettono radiazioni elettromagnetiche verso l’area di interesse e misurano il tempo che impiega la radiazione a tornare indietro dopo aver interagito con la superficie terrestre o marina. L’esempio più comune di sensore attivo è il radar (RAdio Detection And Ranging), che utilizza onde radio per misurare la distanza, la velocità di spostamento e altre proprietà della superficie terrestre o marina. I sensori passivi, invece, non emettono radiazioni ma misurano la radiazione elettromagnetica che viene riflessa o emessa dalla superficie terrestre o marina.
L’esempio più comune di sensore passivo ottico multispettrale è la fotocamera o telecamera, che acquisisce immagini della superficie terrestre o marina in diverse bande spettrali, dove ogni banda corrisponde a una parte contigua di radiazioni nello spettro visibile e dell’ infrarosso da quello vicino fino a quello termico con lunghezza d’onda crescente.
Entrambi i tipi di sensori possono essere utilizzati in diverse applicazioni, per monitorare il cambiamento del territorio, la vegetazione, la qualità dell’aria e dell’acqua, la meteorologia e l’oceano.
Telerilevamento ottico multispettrale
Un esempio semplice di telerilevamento ottico multispettrale è la ripresa multispettrale fotografica (Figura 6): ponendo 3 filtri, blu, verde e rosso, davanti
all’obiettivo di 3 fotocamere si ottengono tre fotografie,
ciascuna contenente solo le informazioni del colore filtrato. Proiettando su uno schermo le 3 immagini si può riprodurre la scena di partenza. Lo stesso avviene se si caricano le 3 immagini sui 3 piani grafici dei computer.
Più in generale, nelle riprese multispettrali a scansione (Figura 7) è possibile scomporre l’energia che proviene punto per punto dalla scena (dove ogni punto corrisponde a un’area della superficie terrestre) in tutte le bande dello spettro. Per scomporre la luce si pone un rilevatore in corrispondenza di ciascuna banda dello spettro. Ogni linea di scansione fornisce quindi diversi segnali elettrici in sequenza ottenendo diverse immagini della stessa scena. Successivamente i programmi per l’interpretazione delle immagini, analizzano le immagini corrispondenti alle bande di interesse, ad esempio confrontandole con il comportamento spettrale delle superfici ai fini di riconoscimento o classificazione.
da “Schede didattiche, Progetto TELEA, CNR IREA e Regione Lombardia, 2002”
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