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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
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A. V
augh
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011.
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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