Gli strumenti di analisi termica

Il modulo base del pacchetto software include alcuni Tools specifici per l’analisi di immagini geospaziali rilevate nello spettro termico. Questi strumenti assumono il nome di Thermal Infrared Utilities.

Il processo di analisi del dato termico in ENVI® può essere riassunto con la seguente organizzazione di passaggi:

1. Visualizzazione del dato;

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3. Calcolo dell’emissività con estrazione automatica dell’immagine di temperatura.

Visualizzazione del dato

Dalla barra del menu principale di ENVI®, selezionare File ~ Open External File ~ Thermal e selezionare uno dei seguenti dati termici:

- TIMS: legge i dati del NASA Thermal Infrared Multispectral Scanner. Le bande appaiono nella Available Bands List. ENVI® assume che i dati abbiano 6 bande, 638 pixel, più un offset di 60 byte all'inizio di ogni riga, ordinati nel formato di archiviazione BIL. Le lunghezze d'onda di default sono inseriti nel file di testa (header), ed è possibile modificarle secondo necessità.

- ASTER: legge i dati ASTER Level 1A e 1B. In alternativa gli stessi dati possono essere aperti come File ~ Open External File ~ EOS ~ ASTER.

- ENVISAT-AATSR: legge i file ENVISAT AATSR Level 1B. ENVI®

inoltre dispone ciascuna immagine e le eventuali fasce ausiliarie di immagine nella Available Bands List, raggruppandole in appropriati metafile.

- MASTER: Legge i file MODIS/ASTER airborne simulator (MASTER). ENVI® estrae le lunghezze d'onda e automaticamente applica il fattore di scala per ridimensionare i dati all’unità di radianza (es. W/m2str).

Thermal Atmospherical Correction

Il ruolo della funzione Thermal ATM Correction è quello di approssimare e rimuovere i contributi atmosferici sul dato di radianza acquisito nelle bande spettrali dell’infrarosso termico. I dati di radianza contenuti nei pixel dell’immagine termica devono essere opportunamente scalati ed adeguatamente riferiti agli strati più alti dell’atmosfera (valori di radianza “top of the atmosphere”

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in W/ m2str) prima di effettuare la correzione atmosferica. Il fattore di scala è quindi un dato di input della correzione atmosferica.

È bene essere certi che le immagini siano state acquisite nelle bande dell’IR termico (8-14 μm) in quanto ENVI® non effettua il check delle bande spettrali in input; bisogna prestare perciò attenzione al metadato ed in particolare all’unità di misura con cui è stata registrata la lunghezza d’onda della/e banda/e in ingresso. Inoltre è bene eseguire la correzione prima di convertire i dati di radianza in dati di emissività, così da migliorare i risultati.

L'algoritmo di correzione atmosferica utilizzato in ENVI® è simile all’algoritmo di compensazione ISAC – In-Scene Atmospheric Compensation (Young et al.,2002). L’algoritmo assume che l’atmosfera sia uniforme su tutta la scena telerilevata, che la superficie si comporti approssimativamente come un corpo nero e che la posizione geografica e l’elevazione non siano rilevanti ai fini del calcolo. Inoltre, si trascurano eventuali flussi discendenti di radianza riflessa. In prima battuta viene calcolata la lunghezza d’onda alla quale corrisponde la massima temperatura di brillanza; questa lunghezza d’onda viene assunta come riferimento, e solo gli spettri che hanno temperatura di brillanza su questa lunghezza d’onda vengono utilizzati per la correzione atmosferica. Successivamente, per ogni lunghezza d’onda dell’intervallo spettrale, vengono confrontati i valori di radianza derivati dal “corpo nero” di riferimento, con quelli misurati. Riportando i risultati di questo confronto in un diagramma ed interpolando una linea sui punti più alti dello stesso, avendo opportunamente pesato l’interpolazione sulle regioni a maggior densità di pixel a brillanza di corpo nero sulla/e banda/e di riferimento, si ottiene una retta dalla quale si estraggono direttamente pendenza ed offset.

Riassumendo, il flusso ascendente di radianza e la trasmissione atmosferica sono approssimati mediante il seguente metodo:

a) si stima la temperatura superficiale di ogni singolo pixel sulla base dei dati, che viene poi usata per stimare la temperatura di brillanza attraverso la funzione di Planck, assumendo un’emissività pari a 1;

b) diagrammando su di uno scatter - plot la radianza superficiale stimata in funzione della temperatura di brillanza stimata si costruisce una retta; il valore del

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flusso ascendente e di trasmissione sono quindi ottenuti misurando la pendenza e l’offset di questa retta.

Queste operazioni di correzione fanno parte dei Tools di pre - processamento dei dati, perciò su ENVI® li implementiamo con i comandi:

Basic Tools ~ Preprocessing ~ Calibration ~ Utilities ~ Thermal Atm Correction oppure:

Basic Tools ~ Preprocessing ~ Data-Specific Utilities ~ Thermal IR ~ Thermal Atm Correction

A questo punto il software richiede il file di input dopodiché appare una finestra di dialogo, all’interno della quale è necessario inserire alcune informazioni, tra cui:

Figura 60: Finestre di dialogo della funzione Thermal ATM Correction. A sinistra la richiesta dei file in input

nella quale è evidenziata la possibilità di ritagliare offset spaziali e/o spettrali; a destra la finestra di input dei parametri di correzione. Dato ASTER Level1B – Zona urbana di Bologna.

- Regression Pixel: consente di scegliere quali pixel usare nella stima per regressione della temperatura superficiale. Selezionando All si stimerà la temperatura superficiale per ogni pixel utilizzando il valore massimo di temperatura di brillanza trovato su tutto l’intervallo di lunghezza d’onda in ingresso. Selezionando Max Hit invece, verrà stimata la temperatura superficiale solo per alcuni pixel che hanno il massimo valore di temperatura di brillanza a particolari lunghezze d’onda.

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- Fitting Technique: in questo caso la scelta è fra due possibili tecniche di interpolazione, che si differenziano a partire dal modo in cui è costruito il diagramma di dispersione, dal quale poi vengono calcolati i parametri per la compensazione.

Selezionando Top of Bins si ricava una curva che congiunge i punti più alti dello scatter - plot che pone in relazione radianza superficiale stimata versus temperatura di brillanza stimata. Sulla parte alta del diagramma troviamo quei pixel che hanno emissività vicina a 1. Questo metodo non è altro che l’applicazione di una regressione ai minimi quadrati sulla parte superiore del diagramma (5%).

Selezionando Normalized Regression, il software procede ad una prima regressione ai minimi quadrati, dalla quale ricava una prima curva nel diagramma che mette in relazione la radianza stimata e la temperatura di brillanza stimata. I residui di questo primo step sono comparati con una curva gaussiana delle probabilità. Con l’esecuzione di un’ulteriore regressione, quei punti che sono situati ad una distanza pari o superiori a tre volte la risposta equivalente di rumore al sensore (NESR) sono considerati anomali e rimossi. Questo metodo utilizza tutti i punti del diagramma di dispersione che non sono anomali e non considera solamente la parte superiore del diagramma, dove l’emissività è vicina ad 1.

Figura 61: andamenti di Pendenza ed Offset delle rette di regressione in funzione dell'intervallo spettrale

considerato, per i due differenti parametri di correzione implementati. Dato ASTER Level1B – Zona urbana di Bologna.

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Figura 62: confronto tra i valori di riflettanza superficiale ottenuti per differenti parametri di correzione: a

sinistra (Disp#1) la combinazione Max Hit - Top Of Bins, a destra (Disp#2) la combinazione All - Normalized Regression. Dato ASTER Level1B – Zona urbana di Bologna.