Telerilevamento marino - Cdm.unimo.it

Da telerilevamento: 

Parametri di qualità delle acque (Ocean Colour) 

Parametri otticamente attivi, cioè quei parametri che 

contribuiscono a modulare i processi di assorbimento e 

diffusione della radiazione elettromagnetica incidente sul mezzo 

acquatico, come: 

• Concentrazione di clorofilla (fitoplancton); 

• Concentrazioni di sedimento solido sospeso nelle sue 

componenti organiche e inorganiche; 

• Concentrazioni di sostanze organiche colorate disciolte 

(sostanze gialle, yellow substances o CDOM Colored Dissolved 

Matter o gelbstoff); 

• Trasparenza (disco di Secchi); 

• Batimetria e la natura/copertura del fondale, nel caso di acque 

basse; 

• Presenza di fioriture algali. 

Appunti di Telerilevamento - S.Teggi - CdL Ingegneria Ambientale

Riprendiamo lo schema del telerilevamento nel VIS-NIR e riscriviamo la relativa espressione in 

modo più appropriato per il telerilevamento marino: 

La radianza al sensore (L m) è data da diversi 

contributi: 

L u: radianza diffusa dall’atmosfera verso l’alto (upwelling 

radiance o path radiance) 

L d: radianza diffusa dall’atmosfera verso il basso e 

poi riflessa dalla superficie verso l’alto 

L g : radianza solare diretta che giunge al suolo e poi 

riflessa dalla superficie verso l’alto (ground reflectance) 

Se ora supponiamo di essere in presenza di un corpo 

idrico alla superficie dobbiamo aggiungere altri 

termini che si posso riassumere come: 

L w: radianza diffusa dal volume d’acqua verso l’alto 

(water leaving radiance) 

L s : radianza che raggiunge il fondale e poi è riflessa 

verso l’alto (seafloor radiance) 

In generale si ha a che fare con corpi idrici profondi e 

quindi L s è nullo o comunque trascurabile e quindi lo 

trascuriamo. 

Ld 

Corpo idrico 

Lu 

θ s 

z 

θ v 

Lg 

Lm 

Lw Ls 


Riprendiamo l’equazione vista per il telerilevamento nel VIS-NIR e aggiungiamo il nuovo termine 

considerando una superficie marina ( z = 0 , superficie piana e quindi β = cos(θ s) : 

( ϑ ) 

E0, λ ⋅cos 

s Ed 

, λ 

Lm, λ = Lu , λ ( ϑs , θv , φsv ) + ρλ τ λ θs τ λ θv + ρλ τ λ θv + Lw, 

λ ⋅τ 

λ θv 

π π 

Poiché L w,λ è dipende anche dalla radiazione incidente 

si preferisce utilizzare un altro parametro per studiare 

il copro idrico: la riflettanza sotto-superficie (R λλλλ ): 

R λλλλ = rapporto fra l’irradianza totale uscente sull’acqua 

e l’irradianza totale incidente sull’acqua 

( ) ( ) ( ) ( ) 

↑ 

Eλ 

↓ 

Eλ 


Peso relativo dei diversi contributi 

% 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Clear water 

Lu (%) 

Ld×t+Lg×t 

Lw×t 

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 

um 

Considerazioni: 

Clear water Turbid water 

λ λ λ (μ (μm) (μ Lu (%) Ld⋅τ ⋅τ ⋅τ+Lg⋅τ ⋅τ ⋅τ Lw⋅τ ⋅τ Lu (%) Ld⋅τ ⋅τ ⋅τ+Lg⋅τ ⋅τ ⋅τ Lw⋅τ ⋅τ ⋅τ 

0.44 84.4 1.2 14.4 80.8 1.1 18.1 

0.52 81.2 1.2 17.5 66.6 1.1 32.3 

0.55 84.2 1.3 14.5 64.1 1.0 34.9 

0.67 96.3 1.5 2.2 82.4 1.2 16.4 

0.75 97.0 1.9 1.1 97.4 1.5 1.1 

% 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Turbid water 

Lu (%) 

Ld×t+Lg×t 

Lw×t 

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 

um 

• Il contributo atmosferico è il più elevato: importanza delle correzioni atmosferiche 

• Il contributo riflesso dalla superficie è praticamente trascurabile 

• Il contributo water leaving radiance contiene l’informazione sullo stato del corpo idrico. 


Legame fra R λ e L wλ 

Il legame fra queste due grandezze è abbastanza complesso. 

Una relazione spesso utilizzata è la seguente: 

Ipotesi: 

•Superficie del mare piatta, o comunque non molto ondulata (mare non molto mosso, 

assenza di Sun Glint) 

•Tutti i campi di radiazione sono isotropi (sole vicino allo zenit, visione quasi nadirale) 

•La superficie dell’acqua può essere ritenuta lambertiana 

Sotto queste ipotesi si ottiene: 

R 

λ 

= 

2 

K ⋅ n ⋅ L Lw, 

λ Dove K = π nel caso di isotropia perfetta 

1− 

ρλ π ⋅ Ld 

, λ K ≈ 5 nei casi reali 

( )( ) 

n è l’indice di rifrazione dell’acqua 

L w,λ e quindi R λ sono determinabili seguendo leggi di trasferimento radiativo analoghe a quelle viste per 

l’atmosfera. 

In particolare, i termini fondamentali saranno la radianza in ingresso al corpo idrico e le trasmittanze del 

copro idrico. 


Ricordando la legge di Labert-Beer: 

acqua 

assorbimento,cos tituente 

acqua 

diffusione,cos tituente 

( ) 

( ) 

τ θ = e 

τ θ = e 

∫ 

1 

− 

cos 

1 

− 

cos 

( θ ) 

( θ ) 

acqua 

assorbimento , cos tituente 

t 

acqua 

diffusione , cos tituente 

t = α ρ dz 

t 

Hp: α non dipende dalla profondità 

acqua 

assorbimento,cos tituente 

H 

assorbimento,cos tituente costituene 

acqua 

assorbimento,cos tituente = αassorbimento ,cos tituente ∫ ρcostituene 

H 

acqua 

diffusione,cos tituente = ∫ αdiffusione,cos tituente ρcostituene 

H 

acqua 

t diffusione ,cos tituente = αα diffusione ,cos tituente ∫ ρρ 

cos tituene dz 

H 

t dz 

t = a C 

acqua 

assorbimento,cos tituente costituente costituente 

t = b C 

acqua 

diffusione,cos tituente costituente costituente 

H C 

t dz 

Indicando con C la concentrazione 

del costituente e con: 

a 

b 

= α 

cos tituente assorbimento,cos tituente 

= α 

cos tituente diffusione,cos tituente 

Poiché L w dipende dalla trasmittanza del corpo idrico allora esso è legato alle proprietà ottiche a e 

b e alla concentrazione C del costituente 


Coefficienti a e b per acqua pura 

•Il coefficiente di assorbimento aumenta rapidamente con l’aumentare della lunghezza d’onda: oltre 1 μm 

l’assorbimento è praticamente totale 

•La diffusione ha andamento opposto: è consistente alle basse lunghezze d’onda e diminuisce 

drasticamente alle lunghezze d’onda maggiori (colore blu del mare) 

•La somma a+b è il coefficiente di attenuazione totale: si ha un minimo (massimo di trasparenza) a circa 

0.45 μm 

1.E+01 

1.E+00 

1.E-01 

1/m 

1.E-02 

1.E-03 

1.E-04 

a 

b 

a+b 

Massimo di trasparenza 

Pure Water 

0.35 0.45 0.55 um 0.65 0.75 0.85 


VIS-NIR 

Acqua “di mare”: fitoplancton e batteri fotosintetici 

Fitoplancton e batteri fotosintetici: 

microrganismi fotosintetici in 

sospensione. 

pure sea water 

chlorophyll-a 

concentrations 

(Coeff. a) 

Assorbimento: 

Ad opera di diversi pigmenti fra i 

quali: clorofilla (in particolare 

clorofilla-a e -b) e carotenoidi 

CDOM 

Fluorescenza: 

Calore 

Parte dell’energia assorbita viene 

riemessa per fluorescenza nella 

regione del rosso. 

phytoplankton 



Acqua “di mare”: Sostanze organiche disciolte 

Nell’acqua di mare possono essere presenti diverse sostanze disciolte derivate dalla decomposizione di 

sostanze organiche (generalmente sostanze umiche). 

Queste sostanze sono conosciute come sostanze gialle (yellow substances) o CDOM (colored dissolved 

matter) o gelbstoff 

Queste sostanze sono essere generate direttamente in mare oppure nei corpi idrici interni o nel terreno. 

Si chiamano sostanze gialle perché la loro azione principale è quella di assorbire radiazione e.m. in 

modo decrescente all’aumentare della lunghezza d’onda. 

CDOM 

phytoplankton 



Acqua “di mare”: Particelle solide in sospensione 

Analogamente a quanto avviene in atmosfera anche in acqua possono esservi delle particelle solide 

in sospensione. 

Esse sono di origine diversa: trasporto eolico, rimescolamento del fondale, residui calcarei degli 

microrganismi in decomposizione, terrigena. 

Il loro comportamento spettrale è molto vario, approssimativamente si può dire che, per quanto 

riguarda l’assorbimento, hanno un andamento simile a quello delle sostanze gialle, mentre per 

quanto riguarda la diffusione l’andamento è fortemente dipendente dalle dimensioni delle 

particelle. 

particulate material 



Riflettanza sotto superficie per diverse acque: esempio 


Caratteristiche spettrali delle acque oceaniche: panoramica 

absorption 

peak for 

particles, 

detritus, and 

dissolved 

substances 

absorption 

peak for 

photosynthetic 

pigment (lowmedium 

concentrations) 


pigment 

reflectance 

hinge point 

absorption 

peak for 


pigment, 

fluorescence of 

elevated 

chlorophyll 

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 

case-1/2 

separation, 

absorbing 

aerosols 

absorption 

peak for 


pigment 

(medium-high 

concentrations) 

sediments, 

turbidity 

atmospheric correction 


Metodi per la valutazione dei parametri sulla qualità delle acque 

• Tecniche di classificazione (ad es. per le fioriture algali). In questo caso non si 

indagano le proprietà di volume del corpo idrico ma quelle di superficie. Il termine di 

riflessione superficiale torna ad essere il preponderante e si usano tecniche di 

indagine analoghe a quelle che si usano su terra. 

• Metodi empirici: basati su analisi di regressione statistica tra le misure di tipo 

radiometrico e quelle dei parametri caratteristici della qualità dell’acqua; 

• Metodi semi-empirici: utilizzano determinate regioni dello spettro 

elettromagnetico per definire algoritmi specifici, come ad esempio rapporti fra bande, 

sulla base della conoscenza delle caratteristiche spettrali delle sostanze otticamente 

attive ricercate nell’acqua; 

• Metodi analitici; basati su relazioni fisiche attraverso le quali le proprietà ottiche 

dell’acqua sono associate alla radianza emergente dalla colonna d’acqua e incidente 

sul sensore. 


Metodi Analitici 

• Si basano sulla modellistica bio-ottica che mette in relazione le concentrazione dei vari 

componenti (clorofilla, ecc.) con le proprietà ottiche del corpo idrico, che si possono 

raggruppare in due categorie, inerenti ed apparenti. 

• Proprietà ottiche inerenti IOP (Inherent Optical Properties): sono quelle che 

dipendono solamente dal mezzo e sono indipendenti dalle condizioni di 

irraggiamento nel corpo idrico. 

• Proprietà ottiche apparenti AOP (Apparent Optical Properties): sono quelle che 

dipendono sia dal copro idrico sia dalle condizioni di irraggiamento del corpo idrico. 

IOP: coefficienti di assorbimento e di diffusione a e b 

AOP: L w,λ e R λ 


AOP 

Telerilevate 

Metodi Analitici 

Modello bio-ottico: modello che descrive, attraverso le IOP, le relazioni fra le AOP e 

la concentrazione dei parametri. 

IOP 

Note 

Modello Bio-Ottico 

Concentrazioni 


Modelli Bio-ottici 

R λ dipende dal bilancio fra la frazione di radiazione assorbita e la radiazione diffusa dall’acqua pura 

e dalle sostanze in essa disciolte o in sospensione (fase dispersa). 

Generalmente R λ viene espresso in funzione del coefficiente di assorbimento (coefficiente di 

attenuazione dovuto all’assorbimento) totale (a λ) e del coefficiente di diffusione (coefficiente di 

attenuazione dovuto alla diffusione) totale (b λ) dell’acqua. 

Alcune semplici relazioni: 

⎛ b ⎞ λ 

Morel & Prieur (appropriata se bλ/ aλ < 0.3): R ⎜ 

⎟ 

λ = Kλ 

⋅ 

⎝ aλ 

⎠ 

dove Kλ è una costante che vale circa 0.33 ed è da tarare caso per caso. 

⎛ b ⎞ λ 

Gordon et al. : R ⎜ 

⎟ 

λ = f 

dove f è una funzione da definire e da tarare caso per caso 

⎝ aλ 

+ bλ 

⎠ 

Solitamente, per semplificare il problema, si considera il rapporto di due R λ a due lunghezze d’onda 

diverse. Utilizzando, ad esempio, la relazione di Morel & Prieur si ottiene: 

R 

R 

L 

L 

λ 

λ 

1 

2 

w, 

λ 

w, 

λ 

b 

= 

b 

2 

⋅ 

λ 

λ 

1 

2 

⋅ a 

λ 

⋅ a 

2 

λ 

1 

K 

⋅ 

K 

λ 

λ 

1 

2 

b 

≅ 

b 

λ 

λ 

1 

2 

⋅ a 

λ 

⋅ a 

( 1 − ρλ 

) b 

2 

λ ⋅ a 1 λ2 

= ⋅ 

( 1 − ρλ 

) bλ 

⋅ a 2 λ1 

1 cost 

⋅ 

1 

2 

λ 

1 

Volendo esprimere il tutto in termini di radianze e riflettanze: 

Questa è una relazione che, ameno della costante determinabile mediante 

analisi su punti di verità a terra, esprime il legame fra grandezze 

telerilevabili (AOP) e proprietà del copro idrico (IOP) 

Per completare il Modello Bio-ottico manca ancora la parte modellistica che lega le IOP alle 

concentrazioni 


Esempio 

Modello 

(Strombeck) 

Taratura del modello 

(misure in situ) 






Fioriture algali 


Qualità delle acque: mappatura termica

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