Radiazione Elettromagnetica - dii.unisi.itgarzelli/documenti/02-Generalità-Telerilevamento... ·...
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University of Pavia Telecommunications and Remote Sensing Laboratory
La radiazione elettromagnetica
• Il telerilevamento sfrutta (generalmente) la possibilità dirilevare la radiazione elettromagnetica emessa o riflessa da unoggetto.
• La radiazione elettromagnetica (di cui la luce è un esempio) èun’onda che si propaga nel vuoto o nei materiali, con unavelocità prossima o uguale a 300000 Km al secondo.
• Tale onda è costituita da un campo di forza elettrica emagnetica (elettromagnetica) oscillante (= i cui valoricambiano nel tempo).
• Il tutto è descritto da una serie di equazioni matematiche, le “Equazioni di Maxwell”.
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Lo spettro elettromagnetico
• Gli atomi di cui è composta la materia emettono energiasotto forma di “fotoni”, secondo la formula
Ogni atomo (e quindi ogni materiale) ha frequenzecaratteristiche.L’insieme di queste possibili frequenze rappresenta lo“spettro elettromagnetico”.
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Caratteristiche della radiazioneelettromagnetica
• Lunghezza d’onda (λ): distanza tra due massimi o due minimi di un’onda
• Frequenza (ν): numero di onde complete che passano per un puntonell’unità di tempo
• Periodo (T): tempo necessario affinché un’onda completa passi per unpunto
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Caratteristiche della radiazioneelettromagnetica
E = energia del singolo fotoneh = costante di Planck (6.3x10-34 J s-1)E = h ν
c = velocità della luce nel vuoto (3x108 m s-1)ν = c / λ
Più bassa è la frequenza, piùbassa è l’energia!
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(Una parte del)lo spettro elettromagnetico
Visibile (0.4 – 0.7 µm)
blu: 0.455 – 0.492 µmverde: 0.492 – 0.577 µmgiallo: 0.577 – 0.597 µmrosso: 0.622 – 0.700 µm
Infrarosso vicino (0.7 – 3 µm)
Infrarosso medio (3 – 6 µm)
Infrarosso termico (6 – 20 µm)
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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica
Tutti i corpi con temperatura superiore a 0°K emettono radiazioniche coprono porzioni di spettro variabili in funzione dellalunghezza d’onda. L’energia totale emessa per unità di superficieviene detta eccitanza, quando riferita a tutto lo spettro, eccitanzaspettrale quando relativa ad una specifica lunghezza d’onda.
Mλ = eccitanza spettralea = 3.742 x 10-16 W m2
b = 1.4388 x 10-2 m Kλ = lunghezza d’onda (m)T = temperatura in °K
Legge di Planck
1ea
M )T/b(
5
−=
−
λλ
λ
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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica
All’aumentare della temperatura, aumenta l’intervallo delle radiazionielettromagnetiche emesse e la quantità totale di energia mentrediminuisce la lunghezza d’onda relativa al picco di massima eccitanza.
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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica
L’eccitanza totale è descritta dall’equazione di Stefan-Boltzmann,ottenuta integrando su tutto lo spettro l’equazione di Planck:
σ = costante di Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W m-2 K-4)T = temperatura in °K
M = σ T4
ATTN: corpo nero!
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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica
Curve dell’eccitanza di due corpi con temperature approssimativamentesimili a quelle del Sole e della Terra
3µm
Energia da radiatori perfetti
Sole: VIS, NIR. Relativamente trascurabile a 10 µm
(attenuazione per dispersione non considerata R-2)
Incendio: massimo a 3 – 5 µm
Terra: massimo a 10 – 12 µm
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“Diversi” infrarossi?
L’infrarosso vicino (NIR) si comporta come la radiazionevisibile, viene riflesso dalla superficie terrestre e puòessere rilevato da speciali pellicole fotografiche. Vienechiamato anche infrarosso riflesso.
L’infrarosso medio e termico viene emesso anche dallasuperficie terrestre e per questo viene detto ancheinfrarosso emesso.
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La radiazione elettromagnetica emessa dal Sole
Sulla superficie terrestre arriva solo una parte dell’energia emessa dal Sole;l’atmosfera svolge una funzione di filtraggio
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Dall’oggetto al sensore
• Cosa succede alla radizione riflessa dall’oggetto mentre sene va dall’oggetto al sensore?
• Diffusione• Riflessione• Assorbimento• Trasmissione
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Diffusione della “luce”
• Il tipo di diffusione dipende da:– il tipo dei diffusori (in funzione della radiazione)– il numero di eventi di diffusione (se la radiazione viene diffusa una
volta o molte volte)– la composizione dei diffusori:
• la diffusione in un solido trasparente per mezzo di oscillazioni (fononi) sichiama “diffusione di Brillouin”
• la diffusione in cui la lunghezza d’onda non cambia si chiama “diffusionedi Rayleigh”
• La causa primaria della diffusione è la differenza di indice dirifrazione tra il diffusore e il suo intorno.
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Diffusione “singola”
Il grafico mostrala quantità dipotenza diffusaal variare delledimensioni dellaparticellarispetto allalunghezza d’ondadella radiazioneincidente
Più
pote
nza
diff
usa
Particella più grande rispetto a λ
Cosa accade nel rettangolo rosso?
α è proporzionale al rapporto tra la dimensione media e la λ
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Più
pote
nza
diff
usa
Diffusione di Rayleigh
• Nel rettangolo rosso la potenza diffusacresce con la quarta potenza delladimensione della particella:– a dimensione fissa della particella, i valori
più alti di α si hanno per valori inferiori diλ, e si ha dunque maggior diffusione perfrequenze più alte (il che spiega perché ilcielo sereno appare azzurro);
– a λ fissato, si ha grande diffusione solo per particelle grandi (questo spiega perché i sistemi che operano nelle microonde “vedono” attraverso le nuvole).
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Diffusione geometrica
• Se la dimensione della particella è molto grande rispetto a λ (α> 50) allora la particella diffonde in maniera più semplice,secondo le leggi dell’ottica geometrica.
• Un esempio di diffusione di questo tipo è la riflessione. Lariflessione è un processo coerente, il che significa che laradiazione riflessa mantiene molte delle informazioni e delleproprietà della radiazione incidente.
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Diffusione multipla
• La diffusione multipla avviene quando ci sono moltissimeparticelle e moltissime diffusioni in tutte le direzioni.
• Nel caso di diffusioni multiple da molti oggetti,normalmente tutta la radiazione incidente viene diffusa
indipendentemente dalla lunghezza d'onda (il che spiega il colore bianco delle nuvole)
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Assorbimento
• Nel caso in cui il la radiazione venga assorbita e riemessa adun’altra lunghezza d’onda, si parla di assorbimento.
Trasmittanza dell’atmosfera terrestre
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Trasmissione
• In caso di assenza dei fenomeni di diffusione, riflessione edassorbimento, si ha trasmissione della radiazione.
• Si noti che spesso materiali che sono trasparenti ad unafrequenza non lo sono ad altre.
Bisogna tener conto anchedelle finestre di trasmissioneper studiare un oggetto!
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Bilancio di energie
L’energia della radiazione incidente su di una determinata superficie puòdunque essere assorbita, riflessa o trasmessa:
Ri = Ra + Rr + Rt
Dato un intervallo dello spettro, si definiscono assorbanza, riflettanza etrasmittanza spettrale i valori di queste energie per unità di lunghezzad’onda su quell’intervallo, riferiti alla energia dell’onda incidente.
In altre parole, la riflessione (quello che vediamo) è la differenza traquanto incide e quanto viene assorbito o trasmesso.
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La curva di riflettanza
Curva di riflettanza: descrive l’andamento della riflettanza per una datasuperficie nell’intervallo spettrale 0.4 – 2.5 µm.
Chiaramente la curva di riflettanza di una superficie varia molto infunzione delle condizioni ambientali (periodo dell’anno, condizione fisicae chimica della superficie) e di ripresa (geometria Sole – superficie –sensore).
E’ possibile disegnare delle curve di riflettanza media che, pur avendovalore indicativo in quanto soggette alle variazioni appena descritte,possono dare delle informazioni importanti sul comportamento dellesuperfici in esame.
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Oggetti speculari o Lambertiani?
• Conta moltissimo non solo il materiale,ma anche la rugosità superficiale dellostesso, secondo le leggi della diffusione.
• Un materiale si dice avere una“superficie Lambertiana” se diffondeuniformemente in tutte le direzioni.
• Un materiale è un riflettore perfetto, se èperfettamente liscio (alla lunghezad’onda del materiale incidente)
• I materiali reali stanno ovviamente ametà strada
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La curva di riflettanza della vegetazione
1 - acqua
chiara
Con sedimenti ?
2 - vegetazione
assorbimento acqua
medio infrarosso
NIR – struttura cellulare
VIS - clorofilla
3 - suolo
1.4, 1.9, 2.7 µm
umidità
Assorbimento acqua
High Resolution Visible Imaging System
Advanced Very High Resolution Radiometer
Thematic Mapper
Multispectral Scanner
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La curva di riflettanzadi diversi suoli nudi a
differente contenuto diumidità
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La curva di riflettanza dell’acqua