CONTROLLO AMBIENTALE TRAMITE LIDAR A FLUORESCENZA Linea di Ricerca: TELERILEVAMENTO LIDAR DEL MARE E...
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CONTROLLO AMBIENTALE TRAMITE LIDAR A FLUORESCENZA CONTROLLO AMBIENTALE TRAMITE LIDAR A FLUORESCENZA Linea di Ricerca: TELERILEVAMENTO LIDAR DEL MARE E DEL TERRITORIO Linea di Ricerca: TELERILEVAMENTO LIDAR DEL MARE E DEL TERRITORIO Giovanna Cecchi, Valentina Raimondi, David Lognoli, Iacopo Mochi Una richiesta comune a quasi tutti gli studi inerenti l’ambiente è quella di poter disporre di un metodo di indagine non distruttivo, che dia informazioni, possibilmente in tempo reale, sullo stato di salute dell’ambiente in cui viviamo. Per rispondere a questa domanda, l’IFAC-CNR ha sviluppato un sensore ad alta risoluzione spettrale (FLIDAR ® ) che, attraverso la spettroscopia indotta da laser, fornisce in tempo quasi reale dati per il controllo delle acque, della vegetazione e di monumenti lapidei e inoltre apre la strada allo sviluppo di sensori dedicati, sia locali che di telerilevamento. Questa ricerca riguarda lo sviluppo di nuovi sensori, coinvolgendo problemi di optoelettronica e di spettroscopia, lo studio di sorgenti laser e delle caratteristiche ottiche di mezzi naturali. I risultati ottenuti hanno dimostrato l’utilità dell’impiego in campo della spettroscopia ad alta risoluzione in situazioni ambientali molto diverse dal punto di vista chimico, fisico e biologico. La fluorescenza è infatti un processo fisico su scala molecolare e consente perciò di acquisire informazioni sulla struttura materiale del campione esaminato; ciò si rivela utile nello studio delle sostanze di interesse ambientale, costituite da molecole complesse e che si modificano in relazione all’ambiente circostante. Un esempio è lo spettro di fluorescenza della vegetazione, che contiene informazioni sul processo di fotosintesi e su stati di stress, che possono essere osservati anche a livello precoce. E’ stato possibile rivelare a distanza la sostanza organica e l’inquinamento da oli in mare e misurare parametri ottici inerenti la colonna d’acqua. Ciò ha permesso di evidenziare, tramite l’integrazione con dati da satellite, la correlazione esistente tra la temperatura delle acque e la concentrazione di sostanza organica in aree geografiche diverse, relative al mare Adriatico (Progetto PRISMA2) e al mare Mediterraneo occidentale (Campagna oceanografica “Marine Fronts”, con CNR- ISAC, CNR-ISMAR, Università di Firenze, NASA-GSFC). Attraverso l’analisi della fluorescenza, e per mezzo di un algoritmo appositamente sviluppato, è stato inoltre possibile studiare la contaminazione da metalli pesanti nelle piante acquatiche. Questo risultato apre nuove prospettive per il controllo dell’ambiente marino ed è stato ottenuto sia in laboratorio che in campo, collaborando con il GSFC/NASA e ARS/USDA. Nell’ambito del controllo di monumenti lapidei, sono state acquisite a distanza immagini di fluorescenza, la cui elaborazione ha permesso di determinare la mappa dei biodeteriogeni e di differenziare le specie lapidee (con il Lund Institute of Technology - Svezia, su finanziamento UE). Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” - Firenze www.ifac.cnr.it FLIDAR ® -3 OM A M odulo ottico TELESCOPIO M odulo Elettronico G as H andling Fascio laser S egnale retrodiffus o B ER SA G LIO ALIM ENTAZIO NE HV He Ne Xe HCl IN V ER TER FIB R E O TTIC HE RIVELATORE OMA B ATTER IA BATTERIE LaserU V LASER VIS SPETTROM ETRO Specchio per la selezione della sorgente Ruota portafiltri Principio di funzionamento Nella sua forma più schematica un LIDAR è costituito da una sorgente laser, un telescopio ed un sistema per la rivelazione ed acquisizione del segnale retrodiffuso dal bersaglio. Il FLIDAR-3, progettato e sviluppato presso l’IFAC-CNR, ha due sorgenti laser impulsate una nell’UV (XeCl@308 nm) ed una nel visibile (Cumarina@480 nm). Il fascio laser è inviato sul bersaglio da un sistema di ottiche ed il segnale retrodiffuso è raccolto da un telescopio newtoniano ed inviato, tramite un mazzo di fibre ottiche, alla fenditura d’ingresso di uno spettrometro accoppiato ad un rivelatore ottico multicanale (OMA). Lo spettro ottenuto nel visibile (300-800 nm) consente di ottenere informazioni sul materiale di cui è composto il bersaglio tramite l’analisi del segnale dovuto a processi anelastici (fluorescenza, Raman). Mappe tematiche relative alla presenza di biodeteriogeni e di trattamenti protettivi ottenute sul Battistero e Duomo di Parma con tecnica lidar a fluorescenza in collaborazione con il Lund Institute of Technology. Per ottenere le mappe sono state utilizzate tecniche di Pricipal Component Analysis. Ratio 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Pixel Pixel 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70 Pixel Pixel 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 70 Pixel Pixel 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 -300 -200 -100 0 100 200 Pixel Pixel 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 Intensity (a.u.) Trattamenti protettivi Biodeteriogeni L’indagine sui monumenti Immagine da satellite NOAA elaborata per la misura della temperatura superficiale del mare e profili tematici ottenuti in tempo reale con il FLIDAR per la clorofilla (Chl) e la sostanza organica disciolta (DOM). 36N 37N 38N 35N 8W 6W 7W 9W 5W * in collaborazione con ISAC-CNR Spettri di fluorescenza indotta da laser su foglie di Posidonia sp. 0 5 10 15 500 600 700 800 0 5000 10000 15000 Leaf length (15 points) Wavelength (nm) Un nuovo prototipo di lidar (FLIDAR-N) con risoluzione sia spaziale che spettrale installato a bordo della N/O Urania per ottenere profili di colonna d’acqua. 10 9 8 7 6 5 4 34 35 36 37 38 0 1 2 3 DOM-Chlorophyll LONGITUDE West L ATITU DE North DOM Coastlin e Ship route Lunghezza d’onda (nm) Profondità (m) Intensità (u.a.) Il controllo dell’ambiente marino Lo spettro di fluorescenza della vegetazione mostra due bande: una nel rosso (con due massimi a 680 e 740 nm) dovuta alla clorofilla, ed una nel blu. L’analisi del loro profilo spettrale è utile per riconoscere stati di stress e per valutare la fotosintesi netta. 4 6 8 10 12 0 500 1.000 1.500 2.000 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Ora del giorno F740/F690 PPFD A (fotosintesi netta) PPFD (umol m -2 s -1 x200) F740/F690 A (umol CO 2 m -2 s -1 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Cichorium Intybus L. Lunghezza d’onda (nm) Riflettanza Fluorescenza ( exc = 308 nm) Il controllo della vegetazione Aereo CASA-212 - Progetto CNR-LARA Elicottero AB-212 - Base MARISTAELI, Catania Il FLIDAR su piattaforme aeree Ciò che si può “vedere”: Ambiente marino Temperatura di colonna d’acqua Inquinamento da petrolio (identificazione e spessore) Sostanze organiche sospese e/o disciolte Fitoplancton e vegetazione acquatica Territorio Fotosintesi della vegetazione Stati di stress nelle piante Monumenti lapidei Biodeteriogeni Trattamenti protettivi sulle superfici Identificazione dei litotipi Per informazioni: [email protected], [email protected]
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CONTROLLO AMBIENTALE TRAMITE LIDAR A FLUORESCENZACONTROLLO AMBIENTALE TRAMITE LIDAR A FLUORESCENZALinea di Ricerca: TELERILEVAMENTO LIDAR DEL MARE E DEL TERRITORIOLinea di Ricerca: TELERILEVAMENTO LIDAR DEL MARE E DEL TERRITORIO
Giovanna Cecchi, Valentina Raimondi, David Lognoli, Iacopo Mochi
Una richiesta comune a quasi tutti gli studi inerenti l’ambiente è quella di poter disporre di un metodo di indagine non distruttivo, che dia informazioni, possibilmente in tempo reale, sullo stato di salute dell’ambiente in cui viviamo. Per rispondere a questa domanda, l’IFAC-CNR ha sviluppato un sensore ad alta risoluzione spettrale (FLIDAR®) che, attraverso la spettroscopia indotta da laser, fornisce in tempo quasi reale dati per il controllo delle acque, della vegetazione e di monumenti lapidei e inoltre apre la strada allo sviluppo di sensori dedicati, sia locali che di telerilevamento.
Questa ricerca riguarda lo sviluppo di nuovi sensori, coinvolgendo problemi di optoelettronica e di spettroscopia, lo studio di sorgenti laser e delle caratteristiche ottiche di mezzi naturali. I risultati ottenuti hanno dimostrato l’utilità dell’impiego in campo della spettroscopia ad alta risoluzione in situazioni ambientali molto diverse dal punto di vista chimico, fisico e biologico.
La fluorescenza è infatti un processo fisico su scala molecolare e consente perciò di acquisire informazioni sulla struttura materiale del campione esaminato; ciò si rivela utile nello studio delle sostanze di interesse ambientale, costituite da molecole complesse e che si modificano in relazione all’ambiente circostante. Un esempio è lo spettro di fluorescenza della vegetazione, che contiene informazioni sul processo di fotosintesi e su stati di stress, che possono essere osservati anche a livello precoce.
E’ stato possibile rivelare a distanza la sostanza organica e l’inquinamento da oli in mare e misurare parametri ottici inerenti la colonna d’acqua. Ciò ha permesso di evidenziare, tramite l’integrazione con dati da satellite, la correlazione esistente tra la temperatura delle acque e la concentrazione di sostanza organica in aree geografiche diverse, relative al mare Adriatico (Progetto PRISMA2) e al mare Mediterraneo occidentale (Campagna oceanografica “Marine Fronts”, con CNR-ISAC, CNR-ISMAR, Università di Firenze, NASA-GSFC). Attraverso l’analisi della fluorescenza, e per mezzo di un algoritmo appositamente sviluppato, è stato inoltre possibile studiare la contaminazione da metalli pesanti nelle piante acquatiche. Questo risultato apre nuove prospettive per il controllo dell’ambiente marino ed è stato ottenuto sia in laboratorio che in campo, collaborando con il GSFC/NASA e ARS/USDA. Nell’ambito del controllo di monumenti lapidei, sono state acquisite a distanza immagini di fluorescenza, la cui elaborazione ha permesso di determinare la mappa dei biodeteriogeni e di differenziare le specie lapidee (con il Lund Institute of Technology - Svezia, su finanziamento UE).
Consiglio Nazionale delle RicercheIstituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” - Firenze
www.ifac.cnr.it
FLIDAR®-3
SPECTROMETER
OMA
DETECTOR
Modulo ottico UV LASER VIS
LASER
TELESCOPIO
Modulo Elettronico Gas Handling
Fascio laser
Segnale retrodiffuso BERSAGLIO
ALIMENTAZIONE HV
He Ne Xe HCl 24 V DC
24 V DC
INVERTER
FIBRE OTTICHE
RIVELATORE OMA
BATTERIA
BATTERIE
Laser UV LASER
VIS
SPETTROMETRO
Specchio per la selezione della sorgente
Ruota portafiltri
FLIDAR®-3
SPECTROMETER
OMA
DETECTOR
Modulo ottico UV LASER VIS
LASER
TELESCOPIO
Modulo Elettronico Gas Handling
Fascio laser
Segnale retrodiffuso BERSAGLIO
ALIMENTAZIONE HV
He Ne Xe HCl 24 V DC
24 V DC
INVERTER
FIBRE OTTICHE
RIVELATORE OMA
BATTERIA
BATTERIE
Laser UV LASER
VIS
SPETTROMETRO
Specchio per la selezione della sorgente
Ruota portafiltri
Principio di funzionamento
Nella sua forma più schematica un LIDAR è costituito da una sorgente laser, un telescopio ed un sistema per la rivelazione ed acquisizione del segnale retrodiffuso dal bersaglio. Il FLIDAR-3, progettato e sviluppato presso l’IFAC-CNR, ha due sorgenti laser impulsate una nell’UV (XeCl@308 nm) ed una nel visibile (Cumarina@480 nm). Il fascio laser è inviato sul bersaglio da un sistema di ottiche ed il segnale retrodiffuso è raccolto da un telescopio newtoniano ed inviato, tramite un mazzo di fibre ottiche, alla fenditura d’ingresso di uno spettrometro accoppiato ad un rivelatore ottico multicanale (OMA). Lo spettro ottenuto nel visibile (300-800 nm) consente di ottenere informazioni sul materiale di cui è composto il bersaglio tramite l’analisi del segnale dovuto a processi anelastici (fluorescenza, Raman).
Mappe tematiche relative alla presenza di biodeteriogeni e di trattamenti protettivi ottenute sul Battistero e Duomo di Parma con tecnica lidar a fluorescenza in collaborazione con il Lund Institute of Technology. Per ottenere le mappe sono state utilizzate tecniche di Pricipal Component Analysis.
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Biodeteriogeni
L’indagine sui monumenti
Immagine da satellite NOAA elaborata per la misura della temperatura superficiale del mare e profili tematici ottenuti in tempo reale con il FLIDAR per la clorofilla (Chl) e la sostanza organica disciolta (DOM).
36N
37N
38N
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8W 6W7W9W 5W
* in collaborazione con ISAC-CNR
Spettri di fluorescenza indotta da laser su foglie di Posidonia sp.
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Lunghezza d’onda (nm)Profondità (m)
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Il controllo dell’ambiente marino
Lo spettro di fluorescenza della vegetazione mostra due bande: una nel rosso (con due massimi a 680 e 740 nm) dovuta alla clorofilla, ed una nel blu. L’analisi del loro profilo spettrale è utile per riconoscere stati di stress e per valutare la fotosintesi netta.
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Ora del giorno
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A (fotosintesi netta)
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Cichorium Intybus L.
Lunghezza d’onda (nm)
Riflettanza
Fluorescenza
( exc = 308 nm)
Il controllo della vegetazione
Aereo CASA-212 - Progetto CNR-LARA
Elicottero AB-212 - Base MARISTAELI, Catania
Il FLIDAR su piattaforme aeree Ciò che si può “vedere”:
Ambiente marinoTemperatura di colonna d’acquaInquinamento da petrolio (identificazione e spessore)Sostanze organiche sospese e/o disciolteFitoplancton e vegetazione acquatica
TerritorioFotosintesi della vegetazioneStati di stress nelle piante
Monumenti lapideiBiodeteriogeniTrattamenti protettivi sulle superfici Identificazione dei litotipi
Per informazioni: [email protected], [email protected]
