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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)⇒ Gestione dell’irrigazione e della fertilizzazione

• Crescita della coltura (AGB, concentrazione di nutrienti)⇒ Gestione della fertilizzazione⇒ Previsioni di resa e stima danni

• Stato fitosanitario e d’infestazione da malerbe della coltura⇒ Gestione della difesa

• Stato idrico della coltura⇒ Gestione dell’irrigazione

La radiazione visibile

Experimentum crucis, Isaac Newton, 1672.

La luce solare è composta da un miscuglio di raggi di diverso colore

La radiazione infrarossa

Sir William Herschel, 1800

“Experiments on the refrangibility of the invisible rays of sun”.

IR: Near, 700-2500 nm; Mid, 2500-4000 nm; Far, 4000-60000 nm

I raggi calorici che provengono dal Sole sono invisibili all'occhio e si trovano appena al di la del rosso dello spettro visibile.

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

⋅λ+−

λ⋅=λ

−

Tcexp

c)T,(E2

51

1

Dove:c1 = 3.7 10-12 W µm4 cm-2

c2 =14385 K µmT in K

Descrive la potenza di emissione di un corpo nerolungo lo spettro elettromagnetico in funzione della suatemperatura 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) = εσT4 (legge di Stefan-Boltzman, 1884)

ε = emissività del corpo (0 ÷1)σ = 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 canopyLo spettro di emissione di un corpo nero ha un picco a:

λmax = 2897 / T (µm) (Legge di Wien, 1893)

T = temperatura assoluta (K)

• λmax del sole, circa 6000 K, = 0,45 µm (450 nm)• λmax della canopy, circa 300 K, = 9,65 µm (9650 nm)

Range delle radiazioni solare e terrestre

Corpo Intervallo spettrale

(nm)

Tipo di radiazione

Sole 100 - 3000 UV (7%); Vis (45); NIR (48) Canopy 4000 - 25000 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

Spettro di riflettanza della canopy

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

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

Ref

lect

ance

(%)

nm

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

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

Ref

lect

ance

(%)

nm

UV B G Y R RE NIR

Coltura N carente

N sufficiente

Terreno

Relazioni tra proprietà elettromagnetiche e stressH

amly

n G

. Jon

es a

nd R

obin

A. V

augh

an, 2

011.

R

emot

e Se

nsin

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Veg

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Prin

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pplic

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ns

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 multispettraliRilevano riflettanze in bande larghe e di numero ridotto, spesso non vicine (es. nel verde nel rosso e nel vicinoinfrarosso)

• Sensori iperspettraliRilevano riflettanze in molte bande strette, spesso molto vicine (es. ogni 10 nm) producendo uno spettro piùdettagliato

Quali radiazioni giungono dalla canopy verso l’alto?

• Radiazione solare riflessa (Vis, NIR)

• Radiazione emessa dalla canopy (TIR)

• Radiazione di rimando (laser, microonde)

Spettro di trasmittanza dell’atmosfera (da: Connor et al. 2011)

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

lentesensore

convertitore A/D

microprocessore

memoria

Transmissivity of typical infrared materials (1 mm thick). 1 Glass, 2 Germanium, 3 Silicon, 4 KRS5

• Vengono utilizzate lenti in germanio, AMTIR, seleniuro di Zn

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

lente

Filtro

sensore

convertitore A/D

microprocessore

memoria

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-color24 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

https://www.dxomark.com/Reviews/Canon-500D-T1i-vs.-Nikon-D5000/Color-blindness-sensor-quality

Schema di Bayer per la disposizione dei filtri sui fotodiodi del sensore

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

http://publiclab.org/wiki/near-infrared-camera

Filtro DIY NGB usato per la modifica di normali camere RGB

Nella camera dedicata TetracamADC Lite il canale sostituito è il blu

Bande B, G, NIR Bande G, R, NIRhttp://www.tetracam.com/Products-ADC_Lite.htm

Bande spettrali di una camere RGB modificata

• Filtro DIY NGB

3 canali

Formato RAW o JPEG

Estrazione canali

Verde

NIR

Blu

Camere RGB modificate per diagnostica colturale

Calcolo indici vegetazionali e mappatura

Camere multispettrali per diagnostica colturale

Tetracam - Multi-Camera Array (Micro-MCA)

MicaSense RedEdge

Da 4 a 12 corpi con filtri personalizzabili.Una banda per corpo.

5 bande fisse: R, G, B, RE, NIRRE=Red edge

5 CANALI

Formato TIFF

VERDE NIR

Camere multispettrali per diagnostica colturale

Bande spettrali della MicaSense RedEdge

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

• Tramite sensori che misurano la radiazione che proviene dall’alto (Down-welling light sensors)

http://www.tetracam.com/Products_Incident%20Light%20Sensor.htm

http://www.pro-lite.co.uk/File/spectralon_targets.php

Scanner iperspettrali

Immagine iperspettrale

• Alto contenuto informativo• File di grandi dimensioni (nell’ordine di Gbyte)• Necessità di elaborazione chemiometrica

Immagine iperspettraleIpercubo

Rifl

etta

nza

Regioni spettrali

Grazie per l’attenzione