Telerilevamento dei cambiamenti ambientali
Laurea Magistrale in Ecologia dei Cambiamenti Globali Anno Accademico 2020-2021
Seconda parte Prof. Alfredo Altobelli
Un satellite può restare nella stessa orbita per un lungo periodo di tempo grazie all’equilibrio tra attrazione
gravitazionale terrestre e forza centrifuga.
Al di fuori dell’atmosfera la resistenza opposta dall’aria è
assente, quindi la velocità del satellite si mantiene costante e il risultato è un’orbita stabile attorno alla Terra per molti anni.
Orbite satellitari
C’è una connessione diretta tra la distanza dalla Terra e la velocità orbitale del satellite.
Un satellite collocato in un’orbita ad una distanza di circa 800 km dalla Terra, è esposto ad una forte attrazione gravitazionale e si deve spostare ad una velocità considerevole per generare una forza centrifuga di pari entità (Landsat-8: d=705 km, v=7.5 km/s pari a 26.970 km/h, t=99’).
Orbite satellitari
Le orbite geostazionarie si collocano a quote molto elevate, nell’ordine dei 36.000 km dalla superficie terrestre.
Queste quote conferiscono caratteristiche particolari
all’orbita: infatti permettono al satellite di completare una rivoluzione intorno alla Terra nello stesso periodo che il pianeta impiega a compiere una rotazione sul suo asse; il satellite sembra stazionario rispetto alla Terra.
Orbite satellitari
Orbite satellitari
Orbite satellitari
La permanenza sulla verticale di un punto permette, ai satelliti
geostazionari, di ottenere riprese della stessa zona molto ravvicinate nel tempo, per tale motivo sono particolarmente utili a scopi meteorologici.
I satelliti Meteosat sono posizionati sopra l’incrocio tra l’equatore ed il meridiano di Greenwich (sopra il Golfo di Guinea). Essi inviano a terra immagini nei 3 canali dello spettro elettromagnetico (visibile, infrarosso vicino e vapore acqueo cioè infrarosso medio) ogni 15 minuti.
Meteosat
Uno svantaggio delle orbite geostazionarie risiede nella grande distanza dalla Terra che riduce la risoluzione spaziale all’ordine di chilometri.
Molte piattaforme di telerilevamento sono progettate per seguire
un'orbita polare (di norma Nord-Sud) che, insieme alla rotazione della Terra (Ovest-Est), consente di coprire la maggior parte della superficie
della Terra in un periodo di 5 giorni, per la coppia di satellite Sentinel-2, e di 16 per il Landsat-8.
Orbite satellitari
Queste orbite in realtà sono quasi-polari in quanto hanno
inclinazioni di 95-100 gradi sul piano equatoriale, quota variante dalla superficie terrestre fra 600 e 800 km e periodo orbitale di 90-100 minuti.
Orbite satellitari
Idealmente le immagini satellitari ottiche, per poterle confrontare, dovrebbero essere acquisite tutte nelle stesse condizioni di illuminazione.
In realtà l’illuminazione varia in funzione della latitudine, della stagionalità e dell’ora del giorno.
I satelliti con orbite quasi-polari eliosincrone sono in grado di ridurre una delle più importanti cause di variabilità dell’illuminazione, l’ora della giornata.
Orbite satellitari
L’orbita eliosincrona deriva il nome dal fatto che in tale configurazione
orbitale l’angolo formato dalla congiungente Sole - centro della Terra e dal piano orbitale del satellite è mantenuto costante nel tempo.
Questo fa sì che il passaggio del satellite avvenga sempre alla stessa ora per le stesse latitudini.
Orbite satellitari
Orbite satellitari
Nel caso di orbite elio-sincrone, ogni volta che il satellite compie una rotazione completa della Terra, viene effettuata una scansione di una nuova porzione della superficie.
La zona “fotografata” sulla superficie, è definita swath (strisciata) e varia generalmente fra le dieci e le centinaia di chilometri in
larghezza, a seconda dell’orbita o della tipologia di sensore
impiegato. E’ di fatto la scena, all’interno dell’angolo di vista il FOV – Field of View del satellite.
Orbite satellitari
Il passaggio del satellite Landsat-8 sulla regione Friuli Venezia Giulia, avviene intorno alle 9.40 (GMT/UTC), (GMT+1 ora locale cioè 10.40;
oppure 11:40, cioè GMT+2, quando viene adottata l'ora legale).
Il valore della misura del tempo nell'unità di misura UTC (Coordinated Universal Time) coincide col valore espresso nell'unità tempo medio di Greenwich (Greenwich Mean Time).
Orbite satellitari
Il Landsat completa la sua orbita in 99 minuti per 14 volte ogni giorno.
Durante un periodo di rivoluzione del satellite la Terra ha effettuato una rotazione di circa 25° di longitudine, da ovest verso est, e
conseguentemente la successiva strisciata di 185 km del satellite è spostata di 2875 km rispetto a quella adiacente che sarà acquisita dopo 7 giorni.
https://www.youtube.com/watch?v=P-lbujsVa2M
Orbite satellitari
Le geometria di ripresa utilizzate nel telerilevamento possono essere di tipo analogico o a scansione digitale.
I metodi principali di scansione della scena per le piattaforme
satellitari sono in modalità puntuale (pixel) whiskbroom o lineare pushbroom.
Formazione dell’immagine
Formazione dell’immagine
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Lo scanner whisk-broom Lo scanner push-broom
Formazione dell’immagine
(2) FOV – Fiel Of View, ampiezza di scansione (Swath) all’interno del campo di vista (3) IFOV - Istantaneus Field Of View, angolo di risoluzione geometrica dello scanner
Scanner whisk-broom: i pixel della riga sono registrati in sequenza con l’ausilio di uno specchio rotante. Terminata la scansione di una riga si inizia una nuova scansione, che per il moto del satellite si riferisce ad una riga successiva.
L’energia elettromagnetica incidente sullo specchio viene inviata ad un prisma che, in corrispondenza delle diverse direzioni di
rifrazione, ripartisce le differenti bande spettrali ai relativi sensori.
Formazione dell’immagine
Scanner Push-broom: Il metodo prevede l’osservazione
simultanea di una intera riga dell’immagine, permettono ad ogni sensore di vedere e misurare l'energia proveniente dalla
superficie per un periodo di tempo più lungo.
Migliorando perciò la risoluzione radiometrica. Inoltre non ha parti mobili e ciò lo rende più stabile.
Formazione dell’immagine
Whisk-broom scanner Push-broom scanner
Landsat-7 ETM+ Landsat-8 OLI
Landsat-5 TM Sentinel-2 MSI
Formazione dell’immagine
Spazio delle caratteristiche (feature space)
Firma spettrale
Indici spettrali Mappe tematiche Immagine
Multispettrale
RISOLUZIONE SPAZIALE: corrisponde all’IFOV, definito come il cono di visibilità di un’area a terra rilevata dallo strumento, si misura in radianti o metri. In pratica corrisponde alle dimensioni del pixel.
RISOLUZIONE SPETTRALE: larghezza delle bande e numero delle bande.
RISOLUZIONE RADIOMETRICA: minima variazione di segnale che il sistema riesce a distinguere. Di fatto si riferisce al numero di livelli di grigio utilizzati (bit).
Risoluzioni dei sensori
RISOLUZIONE TEMPORALE: tempo che intercorre tra le due registrazioni di una stessa scena e una nuova
ripresa della stessa.
AMPIEZZA DELLA SCENA: per il Landsat è di 185x185 km, per il Sentinel-2 è di 290 km (Swath); per l’Utente vengono fornite scene (Tile) di 100x100 km.
Risoluzioni dei sensori
Il progetto Copernicus dell’ESA
e la serie di satelliti Sentinel
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Il progetto Copernicus dell’ESA
e la serie di satelliti Sentinel
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Sentinel-1 è una missione radar in orbita polare, in grado di operare giorno e notte in ogni condizione atmosferica, per servizi di osservazione su terra e mare. Sentinel-1A è stato lanciato il 3 aprile 2014 e Sentinel-1B il 25 aprile 2016.
Sentinel-2 è una missione ottica multispettrale in orbita polare per il monitoraggio in alta risoluzione del territorio. Fornisce immagini della copertura vegetale, del suolo e dell'acqua, nonché informazioni in caso di emergenze. Sentinel-2A è stato lanciato il 23 giugno 2015 e Sentinel-2B il 7 marzo 2017.
Sentinel-3 è una missione multi-strumentale in orbita polare per la misurazione di variabili come la topografia della superficie del mare, la temperatura del mare e del
suolo con alta precisione e affidabilità. Sentinel-3A è stato lanciato il 16 febbraio 2016 e Sentinel-3B il 25 aprile 2018.
Il progetto Copernicus dell’ESA
e la serie di satelliti Sentinel
Sentinel-4 è un payload che sarà imbarcato su un satellite geostazionario Meteosat di Terza Generazione Sounder (MTG-S). Sentinel-4 è dedicato al monitoraggio atmosferico.
Sentinel-5 è un payload che sarà imbarcato su un satellite MetOp di Seconda Generazione, conosciuto anche come Post-ePS. Sentinel-5 sarà dedicato al monitoraggio dell’atmosfera.
Sentinel-5 Precursor è una missione per il monitoraggio dell’atmosfera. Il satellite è stato lanciato il 13 ottobre 2017.
Sentinel-6 è una missione che fornirà informazioni accurate per la misurazione della superficie del mare, per studi oceanografici e sul clima.
Il progetto Copernicus dell’ESA
e la serie di satelliti Sentinel
Il satellite Sentinel-2 MSI (MultiSpectral Instrument)
I satelliti Sentinel-2° e Sentinel-2B operano simultaneamente sulla stessa orbita
eliosincrona a 786 km di altezza sfasati di 180°.
https://blogs.fu-berlin.de/reseda/
Il satellite Sentinel-2 MSI (MultiSpectral
Instrument)
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Il satellite Sentinel-2 MSI (MultiSpectral
Instrument)
Data Products
Level-1C products are radiometric and geometric corrected top of atmosphere
(TOA) data. These corrections include orthorectification and spatial registration on the UTM/WGS84 system with sub-pixel accuracy. Level-1C imagery is delivered in granules of 100×100 km of approximately 600-800 MB each. The individual spectral bands are present in their respective resolution (10, 20 and 60m), which is why
resampling to a uniform geometric resolution is often necessary for further processing.
A product consists of image data, available as JPEG2000 files, and the associated metadata, all capsuled within a “SAFE” file container.
Il satellite Sentinel-2 MSI (MultiSpectral Instrument)
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Data Products
Level-2A is the surface reflectance, or Bottom-Of-Atmosphere (BOA), product derived from a associated Level-1C product. This product is corrected by any
distortion of atmosphere, terrain and cirrus clouds. Level-2A datasets come with some additional data layers: aerosol optical thickness-, water vapour, and scene classification maps and quality indicators, including cloud and snow probabilities.
Il satellite Sentinel-2 MSI (MultiSpectral Instrument)
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La serie di satelliti Landsat
Landsat 8 OLI (Operational Land Imager) and TIRS (Thermal Infrared Sensor)
https://blogs.fu-berlin.de/reseda/
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Landsat 8 OLI (Operational Land Imager) and TIRS
(Thermal Infrared Sensor)
Level-1 products
Standard Landsat 8 data products consist of quantized and calibrated scaled
Digital Numbers (DN) representing the multispectral image acquired by OLI and TIRS. They can be converted to Top Of Atmosphere (TOA) reflectance and
radiance values by using radiometric rescaling coefficients as described in this USGS guide.
Level-2 products
USGS offers on-demand Surface Reflectance data products (Level-2). Surface
Reflectance products provide an estimate of the surface spectral reflectance as it would be measured at ground level in the absence of atmospheric scattering or absorption. Surface reflectance values are scaled between 0 % and 100 %. This atmospheric correction is done via the Landsat Surface Reflectance Code (LaSRC), which utilizes the Landsat band 1, auxiliary MODIS data and radiative transfer
models.
Landsat 8 OLI (Operational Land Imager) and TIRS
(Thermal Infrared Sensor)
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