Broadband Reflective Multispectral Imagery
Sensori multispettrali riflettenti a banda larga e sensori termici sono affrontati separatamente essendo basati su una fisica diversa. In pratica, tuttavia, questi due gruppi di sensori passivi sono spesso montati nello stesso strumento come bande diverse. Questo è vero per molti sistemi di sensori, come TM, Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM +), e ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) (Tabella 1).
I dati di immagini multispettrali riflettenti a banda larga sono i più utilizzati per studi geologici e ambientali e considerati come un efficace strumento operativo per la mappatura delle strutture tettoniche e della litologia, per l’esplorazione mineraria, per la pianificazione logistica e per la navigazione da campo. Estendendo il campo di applicazione dall’osservazione della Terra allo studio dei pianeti, questo gruppo di sensori sono spesso gli strumenti principali per la raccolta di dati da altri pianeti. Un esempio tipico è l’esplorazione di Marte.
La famiglia di satelliti americani Landsat TM, ETM +, e la famiglia di satelliti francesi SPOT (Système Pour 1’Observation de la Terre) ad alta risoluzione visibile (HRV) sono i sistemi di osservazione della Terra più comunemente usati, fornendo dati di immagini multispettrali e pancromatiche a banda larga di copertura globale. Come mostrato nella tabella 1, questi tipi di sistemi di sensori operano in: la gamma spettrale visibile con bande equivalenti a tre colori primari; blu (380-440 nm), verde (440-600 nm) e rosso (600-750 nm); la gamma del vicino infrarosso (NIR) (750-1100 nm), e la gamma dell’infrarosso a onde corte (SWIR) (1550-2400 nm). Il numero di bande e la larghezza spettrale nelle gamme spettrali VNIR (visibile vicino infrarosso) e SWIR dipendono dalle finestre atmosferiche e dal design del sensore. Per esempio, la larghezza spettrale delle bande SWIR deve essere molto più ampia delle bande visibili se si vuole ottenere la stessa risoluzione spaziale, come nel caso delle bande TM 5 e 7, perché la radiazione solare nella regione spettrale SWIR è significativamente più debole di quella nella gamma spettrale visibile.
In generale, la banda ‘larga’ significa che la gamma spettrale è significativamente più ampia di pochi nanometri, tranne nel caso dei sistemi di sensori iperspettrali descritti di seguito. I sistemi di sensori multispettrali riflettenti a banda larga sono un buon compromesso tra risoluzione spaziale e risoluzione spettrale. Con bande spettrali relativamente ampie, un tale sistema di sensori offre una ragionevole risoluzione spaziale con un alto SNR (Signal Noise Ratio) e nel frattempo, operando in un’ampia gamma spettrale da VNIR a SWIR, un tale sistema può fornire immagini di bande multispettrali, permettendo l’identificazione dei principali oggetti del terreno e la discriminazione dei vari tipi di copertura del suolo. Con il drammatico miglioramento della tecnologia dei sensori, dagli scanner meccanici a quelli a spinta e alle telecamere digitali CCD, la risoluzione spaziale delle immagini multispettrali a banda larga sta migliorando continuamente. Per i satelliti in orbita polare vicina al sole, la risoluzione spaziale di questo tipo di sensori è stata migliorata da 80 m (Landsat MSS) negli anni ’70 a meno di un metro, sui sistemi attuali, come mostrato dagli esempi della tabella 2.
La gamma spettrale VNIR è utilizzata da quasi tutti i sistemi di sensori multispettrali a riflessione a banda larga. Questa gamma spettrale è all’interno del picco di radiazione solare e quindi permette la generazione di immagini ad alta risoluzione e ad alto SNR. Copre anche le caratteristiche diagnostiche dei principali oggetti terrestri come i pochi esempi qui sotto:
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Vegetazione: Picco di riflessione minore in verde, assorbimento in rosso, e poi picco di riflessione significativo nel NIR, spesso chiamato ‘bordo rosso’.
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Acqua: Forte diffusione e penetrazione nel blu e nel verde, e assorbimento quasi completo nel NIR.
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Ossido di ferro (terreni rossi, gossan, ecc.): Assorbimento nel blu e alta riflettanza nel rosso.
Molti sistemi di sensori satellitari non hanno utilizzato la banda blu, al fine di evitare forti effetti di dispersione di Rayleigh che si verificano nell’atmosfera e che possono rendere un’immagine “nebulosa”. Una configurazione popolare è quella di offrire tre ampie bande spettrali in verde, rosso e NIR, come nel caso di SPOT 1-3 (Tabella 1) ma, con il miglioramento della sensibilità del sensore, questo non è più il caso per i più recenti sensori spaziali commerciali ad alta risoluzione (Tabella 2). In un sistema di grafica computerizzata, possiamo visualizzare le immagini a tre bande come un composito di colori con NIR visualizzato in rosso, rosso in verde, e verde in blu. Tale immagine composita a colori è chiamata composita a colori falsi standard. Questa immagine è la più efficace per la mappatura della vegetazione sana.
La gamma spettrale SWIR è considerata la più efficace per la mappatura litologica e l’esplorazione mineraria perché la maggior parte dei tipi di roccia hanno un’alta riflettanza in 1,55-1,75 μm e i minerali argillosi (spesso prodotti di alterazione) relativi alla mineralizzazione, hanno varie caratteristiche di assorbimento nella gamma spettrale 2,0-2,4 μm. Queste due gamme spettrali SWIR, corrispondenti alle bande 5 e 7 del Landsat TM, sono preferite dai geologi. I sistemi di sensori SWIR sono tecnicamente più difficili e complicati perché i rivelatori SWIR devono funzionare a basse temperature, che quindi richiedono un sistema di raffreddamento (un refrigerante di azoto liquido o un criocooler) per mantenere i rivelatori a circa 80 K.
Con sei ampie bande spettrali riflettenti, Landsat TM/ETM + ha fornito la migliore risoluzione spettrale tra i sistemi di sensori a banda larga per molti anni. Le sei ampie bande spettrali riflettenti sono molto efficaci per la discriminazione di vari oggetti al suolo, ma non sono adeguate per ottenere l’identificazione specifica in particolari tipi di roccia e i principali gruppi di minerali relativi ai depositi minerari. Questo richiede un sistema di sensori con una risoluzione spettrale molto più alta a pochi nanometri di larghezza di banda per risolvere le loro sottili firme spettrali. Questa richiesta ha portato allo sviluppo dei sistemi iperspettrali.
ASTER (uno scanner push-broom per le bande VNIR e SWIR), a bordo del satellite Terra-1, è un rappresentante di un sistema di sensori di transizione tra il multispettrale a banda larga e il rilevamento iperspettrale a banda stretta. Si tratta di un sistema integrato di tre scanner: uno scanner push-broom VNIR con tre bande spettrali ampie; uno scanner push-broom SWIR con sei bande spettrali strette; e uno scanner meccanico TIR across-track con cinque bande termiche (Tabella 1). Il sistema combina una buona risoluzione spaziale nelle bande VNIR e un’alta risoluzione spettrale nelle bande SWIR e termica ed è stato specificamente progettato per applicazioni geologiche. Le tre bande VNIR con risoluzione di 15 m sono adeguate per distinguere ampie categorie di copertura del suolo come la vegetazione, l’acqua, i suoli rossi, le aree urbane, i depositi superficiali e gli affioramenti rocciosi, mentre le sei strette bande SWIR con risoluzione di 30 m forniscono un potenziale per la mappatura dei principali gruppi minerali dei tipi di roccia e delle alterazioni. Un altro vantaggio unico di ASTER è che ha la capacità di stereo lungo la traccia. Lo scanner VNIR ha un telescopio con visione all’indietro per prendere immagini NIR accanto al suo telescopio al nadir per le tre bande VNIR. Così le immagini NIR al nadir e quelle con visione all’indietro sono prese simultaneamente, formando coppie di immagini stereo lungo la traccia. Le coppie di immagini stereo lungo la traccia permettono la generazione di dati DEM (Digital Elevation Model).