Anisotropia del campo della radiazione riflessa sulle superfici naturali

Lo studio presentato in questa Tesi è relativo alla misura e all’analisi del comportamento non-Lambertiano della radiazione riflessa dalle superfici naturali. Il comportamento anisotropo può essere spiegato dalla Funzione di Distribuzione della Riflettanza Bidirezionale (BRDF) che descrive la dipendenza della riflettività della superficie dalle geometrie d’illuminazione e d’osservazione. Questo studio è interessante per due motivi. Innanzitutto, esso fornisce gli strumenti attraverso i quali si possono ottenere delle stime più accurate dell’albedo delle superfici terrestri. L’albedo, definendo le condizioni al contorno in qualsiasi problema di trasferimento radiativo nell’atmosfera, è di particolare interesse nella modellistica climatica e nelle stime di bilancio energetico. Secondo, essendo la BRDF funzione dei parametri fisici e chimici della superficie riflettente è possibile, mediante inversione di modelli, stimare alcuni di questi parametri.
In questo contesto, è stato progettato e costruito un apparato goniometrico da utilizzare per la misura della BRDF delle superfici naturali. Il goniometro è stato provato su diverse superfici naturali misurando, per ciascuna di esse, 66 Fattori di Riflettanza Bidirezionale (BRF) in condizioni ambientali stabili. Queste misure hanno permesso sia di osservare il comportamento anisotropo di ciascuna superficie che di calcolare valori reali di albedo. Tra le superfici osservate, la neve bianca è risultata più anisotropa delle superfici vegetate. La differenza tra l’albedo reale e quella stimata sotto l’ipotesi di superficie Lambertiana è compresa tra il 7% per la superficie nevosa e il 3.3% per una superficie a prato naturale in ambiente alpino. Inoltre si è osservato che il comportamento anisotropo della riflettanza persiste anche negli indici di vegetazione (NDVI) mentre, attraverso modelli empirici e semi-empirici, si sono parametrizzate le BRDF di alcune superfici al fine di simulare i valori d’albedo al variare delle condizioni d’illuminazione.
Successivamente sono state esplorate due applicazioni riguardanti l’utilizzo di osservazioni multiangolari acquisite da sensori remoti. Il modello AMBRALS è stato utilizzato per stimare gli effetti bidirezionali nelle immagini acquisite da sensori con angoli di vista (FOV) maggiori di 20 gradi che aggiungono un gradiente di luminosità alle variazioni intrinseche delle superfici. Nel giugno 2001, sono state acquisite due serie di strisciate incrociate di un’area vegetata (Parco del fiume Ticino) dai sensori iperspettrali DAIS e MIVIS montati su aereo. Un set multidirezionale di riflettanze atmosfericamente è stato utilizzato per l’inversione del modello AMBRALS al di sopra di due superfici (un campo di Colza e una superficie composta da diverse specie erbacee). I risultati dell’inversione sono stati confrontati con misure goniometriche effettuate in situ durante i due sorvoli: i coefficienti di correlazione tra i valori d’albedo simulati e quelli misurati sono risultati maggiori di 0.9 sia per i dati MIVIS sopra la copertura di Colza, sia per il DAIS sopra l’altra superficie vegetata.
Successivamente è stata analizzata l’entità degli effetti direzionali in sensori ad ampio abbracciamento (swath) utilizzando una serie multitemporale di dati SPOT-VGT con risoluzione di 1 km. Le osservazioni multiangolari sono state ricavate scegliendo le misure spettrali in corrispondenza di pixel appartenenti alla medesima classe d’area bruciata ipotizzando che, nell’intervallo di tempo considerato, fossero trascurabili i cambiamenti delle caratteristiche spettrali delle superfici. Nel medesimo intervallo temporale cambiava invece la posizione del sole e questo ha permesso di costruire un set di dati col quale invertire il modello AMBRALS. Il medesimo modello è stato quindi applicato in modo diretto per simulare la risposta spettrale delle aree bruciate in condizioni d’illuminazione differenti. Il modello mostra che, quando il sole è alto sull’orizzonte, la BRDF delle aree bruciate è abbastanza indipendente dagli angoli d’osservazione; al contrario, quando il sole si abbassa, la BRDF delle aree bruciate di cambia sensibilmente (anche di un fattore 10) con l’angolo di visione.
In conclusione, la ricerca presentata in questa Tesi mostra che la dipendenza della riflettività dalle geometrie d’illuminazione e di visione può migliorare l’interpretazione dei dati acquisti dai sistemi d’osservazione della Terra. In particolare, la misura e la modellistica della BRDF permettono di determinare valori accurati dell’albedo e dei parametri biogeofisici delle superfici naturali. Appare quindi evidente che questo potrà essere di grande beneficio per le applicazioni del telerilevamento ed anticipa quello che sarà possibile nei prossimi mesi quando saranno disponibili i dati multiangolari della nuova generazione di spettrometri.