Elaborazioni AVHRR

Il sensore AVHRR/3, montato sui satelliti della serie NOAA di ultima generazione, forniscono immagini in 6 diverse bande: 3 operanti nel visibile e vicino infrarosso e 3 nell’infrarosso medio e nell’infrarosso termico. Sebbene le bande siano 6, solo 5 di esse sono disponibili simultaneamente, in quando il terzo canale è un canale doppio, progettato con lo scopo di rilevare immagini nell’infrarosso vicino di giorno e nell’infrarosso medio di notte. Il sensore è calibrato in modo tale che ad una data ampiezza del segnale ricevuto corrisponda un preciso valore di radiazione elettromagnetica emessa e riflessa dalla superficie terrestre nelle diverse regioni dello spettro elettromagnetico. Tale segnale è successivamente convertito in valori binari a 10 bit utilizzando, per la discretizzazione dei valori di radiazione, numeri digitali (Digital Number) compresi tra 0 e 1023.

La risoluzione spaziale delle immagini è di 1.1 km al nadir, cioè in prossimità del centro dell’immagine, dove le deformazioni dovute all’angolo di vista sono minime. Man mano che ci si allontana verso i bordi dell’immagine, le deformazioni aumentano e la risoluzione

spaziale dimuisce, rendendo l’immagine non appropriata allo studio di tali territori limitrofi. Per evitare che un’area sia privilegiata rispetto ad altre, la rilevazione avviene in modo tale da spostare il centro dello swath tra una ripresa e quella successiva, in direzione est-ovest: in tal modo l’area analizzata si troverà al centro dell’immagine con una cadenza in genere settimanale, mentre si troverà in posizione troppo periferica per poter essere utilizzata con cadenza decadale.

Nella figura 55 sono riportate le 5 bande di un’immagine AVHRR level 1b, rilevata a bordo del satellite NOAA16 il giorno 19 agosto 2004, in cui è riconoscibile buona parte dell’Italia meridionale. Tale immagine è utilizzata come campione per mostrare gli effetti delle operazioni descritte nel seguito.

Figura 55. Immagine AVHRR nelle 5 bande, rilevata il giorno 19 agosto 2004

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B3

B4

1

B5

B2

Una prima elaborazione di tipo grafico che può essere effettuata è la visualizzazione dell’immagine in falsi colori, mediante la composizione di tre bande, i cui valori sono sostituiti ai tre livelli di colore delle immagini RGB (Red Green Blue). La composizione viene detta in falsi colori, in quanto ad eccezione della banda 1 che corrisponde effettivamente alla regione dello spettro elettromagnetico del rosso, alla banda del verde e del blu si sostituiscono le altre bande relative alla regione dell’infrarosso.

In figura 56 è mostrata la composizione in falsi colori delle bande 1, 2 e 5, sostituite rispettivamente al rosso, al verde e al blu. Tale visualizzazione risulta molto comoda per individuare facilmente la natura dei diversi elementi telerilevati. Le nubi, ad esempio, essendo caratterizzate da valori di digital number elevati in tutte le bande, nell’immagine composita assumo colorazione tendente al bianco (RGB = 255, 255, 255): i corpi nuvolosi, infatti, riflettono molto la radiazione solare nelle prime bande del visibile e vicino infrarosso ed emettono poco nella regione dell’infrarosso termico, essendo a temperatura più bassa rispetto alla superficie terrestre (nelle bande termiche, ad una radiazione più bassa corrisponde un digital number più elevato). I corpi idrici, essendo caratterizzati da valori di digital number molto ridotti nelle prime due bande (l’acqua riflette molto poco la radiazione solare), assumono colorazione tendente al blu (RGB = 0, 0, 255), mentre le superfici vegetate, caratterizzate da valori di digital number elevati nella banda 2 (le piante assorbono gran parte della radiazione solare nella banda del rosso) sono rappresentate da pixel con colorazione tendente al verde (RGB = 0, 255, 0). Man mano che la biomassa si riduce, aumenta la radiazione riflessa nella regione dello spettro elettromagnetico del rosso, pertanto il suolo nudo è caratterizzato dai pixel con colorazione tendente al giallo (255, 255, 0).

Figura 56. Composizione in falsi colori delle bande 1, 2 e 5 dell’immagine AVHRR

Per poter utilizzare le immagini AVHRR in applicazioni di tipo idrologico-ambientale, occorre preliminarmente effettuare delle elaborazioni di pre-processing, finalizzate alla calibrazione e alla georeferenziazione delle stesse. La calibrazione ha lo scopo di convertire i

digital number delle singole bande in valori di riflettanza nei primi due canali e di temperatura di brillanza nei canali termici, ottenuti utilizzando la procedura descritta al capitolo II.

Nella figura 57 si mostrano i risultati della procedura di calibrazione applicata alle bande 1 e 4 dell’immagine campione. Come già accennato in precedenza, nei canali termici, a bassi valori di radianza, e quindi di temperatura di brillanza, sono associati alti valori di digital number, ed è per questo motivo che l’immagine calibrata sembra il negativo dell’immagine originale.

Figura 57. Calibrazione dell’immagine AVHRR: riflettanza nella banda 1 e temperatura di brillanza nella banda 4

Il passo successivo nella fase di preparazione delle immagini AVHRR consiste nella georeferenziazione della stessa secondo un sistema di riferimento geografico, che può essere ottenuta in due modi distinti: un primo metodo è la georeferenziazione mediante ground control point (GCP), cioè utilizzando le coordinate rilevate a terra di punti facilmente individuabili nell’immagine satellitare (ad esempio promontori e rientranze della linea di costa, laghi); un secondo metodo è la georeferenziazione automatica ottenuta utilizzando i parametri geometrici memorizzati nell’immagine Level 1b, per ricavare le coordinate geografiche associate ad ogni pixel, e selezionare, quindi, una griglia regolare di GCP con le coordinate corrispondenti.

In figura 58 è riportato come esempio la riflettanza nel primo canale dell’immagine AVHRR, georeferenziata utilizzando i parametri orbitali registrati dal sensore. Ai pixel fuori della scena originale sono stati automaticamente attribuiti valori nulli.

Una volta ottenuta l’immagine georeferenziata si può procedere con il ritaglio dell’area di interesse, in modo da ridurre la mole di dati nelle elaborazioni successive. Tale operazione, in genere, si ottiene sovrapponendo all’immagine georeferenziata un layer vettoriale con

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B4

1

l’identificazione della regione di interesse e andando ad escludere i pixel che si trovano al di fuori della stessa. Il risultato di tale operazione, effettuata sull’area relativa al territorio calabrese e lucano, è mostrato nella figura 59.

Figura 58. Georeferenziazione della riflettanza nel canale 1 dell’immagine AVHRR

Figura 59. Identificazione e ritaglio dell’area di interesse

Per la stima dell’evapotraspirazione giornaliera, a partire dalle immagini AVHRR, è necessario utilizzare come input il dataset composto dalle riflettanze superficiali nei primi due canali e dalle temperature di brillanza nei 3 canali termici. In figura 60, è mostrato come

esempio il dataset relativo all’immagine AVHRR del 19 agosto 2004, risultato delle operazioni descritte precedentemente.