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organizzato da Lista degli argomenti • Motivi d’interesse del telerilevamento in agricoltura • Aspetti di base • Lo spettro elettromagnetico • Comportamento radiativo dei corpi • Classificazione dei sensori • Sensori TIR • Sensori Vis-NIR • RGB • Multispettrali • Iperspettrali Aspetti d’interesse del telerilevamento in agricoltura • Caratteristiche del terreno (S.O., caratteristiche idrologiche) Þ Gestione dell’irrigazione e della fertilizzazione • Crescita della coltura (AGB, concentrazione di nutrienti) Þ Gestione della fertilizzazione Þ Previsioni di resa e stima danni • Stato fitosanitario e d’infestazione da malerbe della coltura Þ Gestione della difesa • Stato idrico della coltura Þ Gestione dell’irrigazione La radiazione visibile La luce solare è composta da un miscuglio di raggi di diverso colore Experimentum crucis, Isaac Newton, 1672. La radiazione infrarossa Sir William Herschel, 1800 “Experiments on the refrangibility of the invisible rays of sun”. I raggi calorici che provengono dal Sole sono invisibili all'occhio e si trovano appena al di la del rosso dello spettro visibile. IR: Near, 700-2500 nm; Mid, 2500-4000 nm; Far, 4000-60000 nm Lo spettro elettromagnetico • Circa il 98% dell’energia solare è compresa nell’intervallo 200-1500 nm • La PAR (Photosintetically Active Radiation) è compresa tra 400 e 700 um. Comportamento radiativo di un corpo • Comportamento attivo • Riguarda l’emissione di radiazione da parte di un corpo • Comportamento passivo • Riguarda l’interazione con la radiazione quando un corpo ne viene investito Comportamento attivo: legge fondamentale dell’irraggiamento, Planck 1898 c1 × l-5 E( l,T ) = æ c ö - 1 + expç 2 ÷ è l ×T ø Dove: c1 = 3.7 10-12 W mm4 cm-2 c2 =14385 K mm T in K Descrive la potenza di emissione di un corpo nero lungo lo spettro elettromagnetico in funzione della sua temperatura assoluta Emissione di un corpo reale • Ogni corpo, a qualunque temperatura maggiore di 0 K, emette radiazione elettromagnetica. L’emissione è funzione della sua temperatura ed emissività. E (W m-2) = esT4 (legge di Stefan-Boltzman, 1884) e = emissività del corpo (0 ¸1) s = costante di Stefan-Boltzmann = 5.67 10-8 W m-2 K-4 T = temperatura assoluta (K) • Il sole, circa 6000 K, emette 73 MW m-2 • La canopy, circa 288 K, emette 370 W m-2 Picco di emissione di sole e canopy Lo spettro di emissione di un corpo nero ha un picco a: lmax = 2897 / T (mm) (Legge di Wien, 1893) T = temperatura assoluta (K) • lmax del sole, circa 6000 K, = 0,45 mm (450 nm) • lmax della canopy, circa 300 K, = 9,65 mm (9650 nm) Range delle radiazioni solare e terrestre Corpo Sole Intervallo spettrale (nm) 100 - 3000 Canopy 4000 - 25000 Tipo di radiazione UV (7%); Vis (45); NIR (48) MIR e lontano IR Comportamento passivo • Un corpo investito dalla radiazione può: – Assorbirla – Rifletterla – Trasmetterla La risposta dipende dalla composizione molecolare e dalla struttura fisica del corpo Dunque, gli spettri di riflettanza, assorbimento e trasmittanza contengono informazioni sulla natura del corpo Spettro di assorbimento dei carotenoidi 0,10 0,05 0,05 0,00 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 0,00 400 415 430 445 460 475 490 505 520 535 550 565 580 595 610 625 640 655 670 685 700 715 730 745 760 775 790 805 820 835 850 865 880 895 910 925 940 955 970 985 1000 Reflectance (%) 0,30 0,25 0,20 Reflectance (%) Spettro di riflettanza della canopy 0,50 0,45 0,50 0,40 0,45 0,35 0,40 Coltura N carente 0,15 UV 0,35 0,30 0,25 B N sufficiente 0,20 0,15 0,10 Terreno G Y R RE NIR nm nm Hamlyn G. Jones and Robin A. Vaughan, 2011. Remote Sensing of Vegetation. Principles, Techniques, and Applications Relazioni tra proprietà elettromagnetiche e stress Cos’è un sensore? • E’ un dispositivo che acquisisce in ingresso una grandezza e fornisce in uscita un segnale legato alla grandezza da una precisa legge. • Nel rilevamento della canopy, la grandezza in ingresso è l’energia della radiazione elettromagnetica e in uscita si ha un segnale elettrico proporzionale all’energia della radiazione. Classificazione dei sensori • Lunghezza d’onda in cui operano • Ottici (Vis, NIR, MIR) • Termici (TIR) • Microonde • Tipo di funzionamento • Attivo (proiettano sulla superficie un fascio di radiazione) • Passivo (sfruttano la radiazione naturale) • Imaging vs non-imaging • non imaging: rilievi puntuali lungo una traiettoria • Multispettrale vs iperspettrale Classificazione dei sensori • Sensori multispettrali Rilevano riflettanze in bande larghe e di numero ridotto, spesso non vicine (es. nel verde nel rosso e nel vicino infrarosso) • Sensori iperspettrali Rilevano riflettanze in molte bande strette, spesso molto vicine (es. ogni 10 nm) producendo uno spettro più dettagliato Quali radiazioni giungono dalla canopy verso l’alto? • Radiazione solare riflessa (Vis, NIR) Spettro di trasmittanza dell’atmosfera (da: Connor et al. 2011) • Radiazione emessa dalla canopy (TIR) • Radiazione di rimando (laser, microonde) Camere TIR (Thermal Infrared Radiation) • Contengono elementi sensibili alla radiazione IR; l’energia della radiazione viene convertita in un segnale elettrico proporzionalmente • Siccome l’emissione di radiazione IR è in relazione con la temperatura del corpo e della sua emissività, rilevando la radiazione IR si stima la temperatura del corpo. • I più utilizzati sono i bolometri: resistori che scaldandosi per azione della radiazione variano la loro resistenza e di conseguenza generano un segnale elettrico • Sensibilità intorno a 50-100 mK • Dimensione del sensore: - per esempio, 382 x 288 pixels in optris® PI 450 Elementi di una camera TIR convertitore A/D sensore memoria microprocessore lente • Vengono utilizzate lenti in germanio, AMTIR, seleniuro di Zn Transmissivity of typical infrared materials (1 mm thick). 1 Glass, 2 Germanium, 3 Silicon, 4 KRS5 Cause di variabilità della temperatura di una canopy • Colore (effetti sull’assorbimento della radiazione solare) • Tasso di evapotraspirazione • (l’ET determina raffrescamento) • Carenza di elementi nutritivi • Attacchi di patogeni Functional Plant Biology, 2009, 36, 978–989 Elementi di una camera multispettrale Filtro convertitore A/D sensore memoria microprocessore lente I filtri possono essere applicati anche sui singoli fotodiodi Selezione delle bande spettrali • Filtri https://www.thorlabs.com/navigation.cfm?guide_id=2329 Sensori • Matrici di fotodiodi • I fotodiodi sono elementi fotosensibili che convertono l’energia della radiazione in un segnale elettrico • Numero di fotositi per sensore (risoluzione) • da 3-4 milioni a 1-3 decine di milioni CCD image sensor / full-color 24 Mpix, 6000 x 3988 pix, 1.8 fps http://www.directindustry.com/prod/dalsa/product-25439-1173223.html Camere multispettrali RGB • Filtri usati: • Filtro passa-alto (esclude UV) • Filtro passa-basso (esclude NIR > 700nm) • Filtri passa-banda nel rosso (R), nel verde (G) e nel blue (B) a livello dei fotositi Schema di Bayer per la disposizione dei filtri sui fotodiodi del sensore https://www.dxomark.com/Reviews/Canon500D-T1i-vs.-Nikon-D5000/Color-blindnesssensor-quality Camere RGB modificate per diagnostica colturale • Modifiche del sistema di filtrazione della luce • Rimozione del filtro passa-basso (esclude NIR > 700nm) • Posizionamento di un nuovo filtro Filtro DIY NGB usato per la modifica di normali camere RGB http://publiclab.org/wiki/near-infrared-camera Bande B, G, NIR Nella camera dedicata Tetracam ADC Lite il canale sostituito è il blu http://www.tetracam.com/Products-ADC_Lite.htm Bande G, R, NIR Bande spettrali di una camere RGB modificata • Filtro DIY NGB Camere RGB modificate per diagnostica colturale Blu 3 canali Estrazione canali Verde Calcolo indici vegetazionali e mappatura NIR Formato RAW o JPEG Camere multispettrali per diagnostica colturale Tetracam - Multi-Camera Array (Micro-MCA) Da 4 a 12 corpi con filtri personalizzabili. Una banda per corpo. MicaSense RedEdge 5 bande fisse: R, G, B, RE, NIR RE=Red edge Camere multispettrali per diagnostica colturale Bande spettrali della MicaSense RedEdge 5 CANALI Formato TIFF VERDE NIR http://www.micasense.com/ File di output della camera: 1 immagine per ogni banda spettrale Correzione radiometrica • Tramite pannelli a riflettanza nota (in • immagini del pannello prima del volo ed al suo termine http://www.pro-lite.co.uk/File/spectralon_targets.php • Tramite sensori che misurano la radiazione che proviene dall’alto (Down-welling light sensors) http://www.tetracam.com/Products_Incident%20Light%20Sensor.htm Scanner iperspettrali Immagine iperspettrale • Alto contenuto informativo • File di grandi dimensioni (nell’ordine di Gbyte) • Necessità di elaborazione chemiometrica Immagine iperspettrale Riflettanza Ipercubo Regioni spettrali Grazie per l’attenzione