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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