Dr. Roberto Steffensen, N.R.C. Introduzione
Il termine risorse naturali si applica all'insieme delle caratteristiche che condizionano l’esistenza dell’uomo sulla terra, in quanto esso ne fa direttamente o indirettamente uso.
Considerato che lo sviluppo umano ha raggiunto uno stadio in cui le sue necessità interferiscono negativamente con l'equilibrio insito nella vita naturale, e che le sue esigenze di approvvigionamento in materie prime sono in continua espansione, risulta evidente che una conoscenza globale delle risorse naturaii della terra sia urgente.
Purtroppo, per ottenere questo ambizioso fine non esistono metodi o tecniche unici, nè semplici.
Un vasto insieme di discipline scientifiche deve contribuire a dare le infor mazioni necessarie a costituire un quadro completo. La combinazione di infor mazioni ottenute isolatamente e spesso seguendo procedimenti concettualmente diversi è tuttavia difficile se non impossibile.
Per ovviare a questi inconvenienti, in tempi recenti, ai metodi tradizionali di studio della natura si sono aggiunti i metodì cosidetti integrati, nei quali sì procede ad una analisi congiunta dei diversi aspetti geografici, cioè climatologici, vegetativi, geomorfologici, geologici, pedologici, idrologici, etc.
Lo scopo sarebbe di raggiungere la comprensione dei mutui rapporti esi stenti fra i singoli aspetti, e quindi una conoscenza di base per una loro utilizzazione razionale.
Per investigare questi rapporti le tecniche aerofotografiche posseggono notevoli pregi e di esse nel passato si è fatto un limitato uso. L'impiego di apparecchiature aerofotografiche convenzionali, sviluppatesi per fine foto grammetrico, cioè di ricavare la massima accuratezza dimensionale dell’imma gine, non soddisfa totalmente le esigenze interpretative, cioè la distinzione del numero più vasto possibile di oggetti e fenomeni raturali.
Con l'introduzione dei film a colori, operanti nel campo del visibile e dell’infrarosso fotografico, e di strumenti ottico meccanici, operanti in altre bande elettromagnetiche, l'acquisizione di dati interpretativi si è notevolmente accresciuta, ed una nuova disciplina scientifica, conosciuta nel mondo anglosas sone come « remote sensing », si è creata. *. Senior Resident Research Associate, NASA Manned Spacecraft Center, Houston, Texas.
Questa denominazione, applicata in senso ristretto, indica la misura a distanza di radiazioni di natura elettromagnetica, provenienti da corpi terrestri. Si ritiene infatti che lo spettro di emissione o riflessione di radiazioni terrestri sia legato alle proprietà fisiche del corpo da cui provengano in una maniera distintiva. La loro misura permetterebbe di identificare indirettamente la natura dei corpi ed in alcuni casi i cambiamenti di stato fisico prodottisi nel tempo.
I satelliti terrestri di studio delle risorse naturali sono concepiti su questi principi. Essi rappresentano una estensione della applicazione dei rilievi aerei; un esame comparativo permetterà di definire il loro campo di azione.
Attraverso uno sguardo al processo di trasmissione delle radiazioni nel l'atmosfera, una valutazione delle misure eseguibili da un satellite verrà rag giunta, ed il loro legame con. le caratteristiche degli oggetti naturali sarà di scusso. Seguirà una breve descrizione delle caratteristiche tecniche degli stru menti di accertato 0 proposto impiego e dei risultati che possiamo attenderci. ua È si «; (ages . ePge SET 9 r 4 % * f E ost i -® ue Pi Me .' tec pi Ci Ata i »dfa e De» 4 "Re Ain “ene > o AT aaa I ZARI e elio % È ha ” F - A ni I 9 n » x pap a di » ‘NO sì, eri nr © SA), È IE + » 7 FA
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Caratteristiche operative dei rilievi da satelliti.
I rilievi effettuati da satelliti terrestri si differenziano da quelli effettuati dagli aerei principalmente per due motivi: 1. Distanza degli oggetti osservati, che normalmente si aggira nell'intervallo 200 - 1000 Km. 2. Modo di spostamento del veicolo aereo e tracciato sul terreno della sua traiettoria.
Il primo punto è il più semplice da analizzare. La distanza molto elevata ha come conseguenza primaria la forte riduzione in scala della immagine; è questo un fattore ambivalente, da un lato limitativo, a ragione delle dimensioni molto ridotte degli oggetti risolvibili, dall’altro vantaggioso, per le zone più estese su cui sì può osservare allo stesso tempo. Si potrebbe anche pensare che tale distanza rappresenti un elemento limitativo per l’accresciuta attenuazione che le radia zioni terrestri verrebbero a subire. I fenomeni di diffusione ed assorbimento che producono questa attenuazione sono tuttavia concentrati negli strati bassi dell'atmosfera, si ritiene inferiori a 20 Km. L'effetto dunque si compara con quello ottenuto nei voli stratosferici.
Il secondo punto si origina nella natura stessa del satellite, veicolo che si muove passivamente sotto l’azione del campo gravitazionale. Mentre l’aereo può spostarsi a suo piacimento ed adeguare il suo percorso a diverse, se non tutte le esigenze di una missione, il satellite per ogni specifica orbita possiede para metri determinati.
Questi includono: la posizione del piano dell'orbita, la velocità del satel lite e quindi il suo periodo orbitale.
A causa dell’azione di forze perturbatrici questi valori però non restano fissi, ma con il tempo variano leggermente ed in maniera in parte imprevedibile.
La conseguenza di ciò, ai fini dell'esecuzione di rilievi terrestri da un satellite, è l'impossibilità di stabilire solo a mezzo di calcolo la zona esatta che gli strumenti visioneranno. Solo seguendo continuamente lo spostamento del satellite a mezzo delle stazioni radar, il tracciato può essere previsto con accura tezza paragonabile a quella ottenibile da un aereo, questo però per un numero ridotto di orbite susseguenti le misure.
Le caratteristiche del tracciato di per sè presentano elementi peculiari. Il movimento della terra intorno al proprio asse, accoppiato al movimento del sa tellite lungo l’orbita fanno si che le orbite successive, riportate sulla superficie terrestre rappresentata nella proiezione del Mercatore, appaiono come curve di tipo sinusoidale, tangenti ai paralleli aventi latitudine Nord e Sud pari all’inclinazione dell'orbita sull'equatore. I successivi tracciati sono spostati verso Ovest in longi tudine di un valore angolare pari alla rotazione terrestre avvenuta durante un periodo.
Ad esempio, un satellite operante nell’intervailo già menzionato, che avesse un periodo orbitale di 90 minuti, mostrerebbe una variazione in longitudine per orbita di circa 22,5 gradi.
A questa variazione si aggiunge quella prodotta dalla lenta rotazione del piano orbitale conosciuta come regressione dei nodi.
Se si tiene conto di tutti gli effetti è possibile scegliere i parametri orbitali
in modo che il satellite ripeta approssimativamente il suo percorso dopo un prefisso numero di giorni.
Un problema a parte è rappresentato dalla stabilità del satellite in orbita in rapporto alla verticale, e cioè alla normale posizione di puntamento degli strumenti.
Una serie di disturbanze provoca, come nei voli aerei, uno spostamento continuo del satellite attorno al suo asse di volo. Per mezzo di sistemi di stabilizzazione si riesce a mantenere l’angolo nadirale dell'asse verticale nel. l'ambito di 1-2 gradi.
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Il fattore atmosferico
Le radiazioni terrestri che pervengono agli strumenti posti in un satel lite sono affette dalle caratteristiche fisiche dell'atmosfera. L'effetto sulle radia zioni è complesso, essendo dovuto ad un insieme di fenomeni differenti.
Nell'insieme si osserva una riduzione sia della loro intensità che del loro contrasto, La perdita di contrasto si opera a causa dell’irraggiamento atmosferico che si sovrappone a quello terrestre.
Solo nel campo delle microonde l'influenza di questi fenomeni è secon daria. Spostandosi verso le frequenze più elevate, nell’infrarosso troviamo le bande di assorbimento dovute alle molecole gassose ed al vapor acqueo, nel visibile soprattutto i fenomeni di diffusione, finché nell’ultravioletto si osserva un assorbimento quasi totale.
Lo studio del campo di radiazioni terrestri viene a limitarsi in precise regioni dello spettro, dove il fattore di trasmissione è elevato, le cosidette « finestre atmosferiche ». In queste regioni due tipi di radiazioni possono incon trarsi, l'energia solare riflessa e l'energia emessa da corpi terrestri. L'inten sità massima dei due campi di radiazioni è localizzata a differenti valori di lunghezza d'onda, l'energia solare nel visibile e l’energia terrestre nell’infra rosso « termico »,
Nell'intervallo tra 2 e 7w i due campi si sovrappongono ed hanno valori energetici molto ridotti.
Per queste ragioni le due regioni dello spettro che sembrano le più appro priate per i rilievi terrestri da satelliti sono quella fra 0,4 e 0,9 microns e quella fra 8 e 13 microns.
Parametri fisici e proprietà naturali
In corrispondenza delle « finestre atmosferiche » sarà possibile eseguire la misura da satelliti di flussi energetici totali o ripartiti secondo la lunghezza d'onda, cioè possiamo effettuare misure radiometriche e spettrometriche.
In più potremmo eseguire misure sulla polarizzazione di queste radiazioni; queste tecniche però sono solo agli inizi.
Il valore interpretativo di queste misure è connesso al loro legame con gli oggetti osservati. Esso è espresso rispettivamente dal coefficiente di brillanza spettrale, nel visibile, e dal coefficiente di emissione spettrale, nell’infrarosso.
Questi coefficienti esprimono la brillanza e la radianza di un corpo riferita a corpi ideali, il diffusore lambertiano ed il corpo nero. a) Fattore di brillanza spettrale
Numerosi studi in laboratorio e sul terreno si sono occupati di misurare questa grandezza nei corpì naturali.
Non essendoci analogia tra le tecniche seguite, i risultati spesso differiscono; pertanto, le misure sul terreno saranno prese come riferimento.
Le conoscenze attuali si possono così sintetizzare: | — alcune classi di oggetti naturali mostrano simili curve di brillanza spettrale; due esempi sono la vegetazione e le rocce. Queste classi sono sufficientemente distinte fra di loro.
— All’interno di ciascuna classe si hanno ulteriori differenziazioni che però sono difficilmente attribuibili ad uno specifico elemento costitutivo del corpo. Nel campo delle sostanze minerali, ad esempio, non sembra esista per una roccia, una precisa relazione fra questo fattore ed i suoi costituenti minerali. D'altro canto esistono in certi casi indicazioni della esistenza di un legame con il suo ambiente di formazione. — Il valore che il fattore di brillanza spettrale assume nelle esperienze è di pendente dalle condizioni di illuminazione, dall'angolo di misura e dalle caratteristiche della superficie esterna del corpo. b) Coefficiente di emissione spettrale.
In questo campo le conoscenze sono più limitate.
Le indagini hanno per lo più diretto ad investigare il comportamento di sostanze minerali nell’infrarosso « termico », dove esistono significanti interazioni fra le radiazioni e la struttura molecolare. Gli spettri di emissione mostrano dei valori minimi dovuti a questi effetti. Anche qui però le caratteristiche fisiche del corpo, come le dimensioni, forma ed orientamento dei suoi elementi costitutivi interagiscono con la loro composizione. Questo è particolarmente valido nel caso di corpi costituiti da agglomerati di sostanze diverse.
Istrumentazione e raccolta dei dati
Le considerazioni precedenti conducono a limitazioni ben precise sul tipo di strumenti e sul modo di operarli,
In condizioni ideali Ia strumentazione dovrebbe possedere il migliore potere risolutivo e ricoprire una ampia distesa di terreno nel minore tempo possibile.
Si pensi alla notevole velocità del satellite (4-5 n.mi./sec.) ed ai cambiamenti continui di stato atmosferico. In più, per esigenze interpretative, il ricoprimento deve farsi senza interruzioni e con la minima distorsione geometrica, in maniera che la migliore rappresentazione tridimensionale sia ottenibile.
La gamma di strumenti di utilizzazione più indicata include: sistemi foto grafici, sistemi ottico-meccanici (scanners) e sistemi televisivi.
Sistemi fotografici
Nel caso che la risoluzione sia il fattore limite nell'analisi dei dati, i siste mi fotografici posseggono i migliori requisiti. Allo stato tecnologico attuale si può ritenere, in via di massima, che essi abbiano una risoluzione circa dieci volte migliore degli altri sistemi.
Le loro limitazioni si trovano nella ristretta regione dello spettro dove ope rano, nella difficoltà, sia ad isolare precise bande di piccolo intervallo spet trale che ad eseguire una calibratura fotometrica.
In numerosi voli orbitali della serie Gemini ed Apollo riprese fotografiche della terra sono state eseguite con successo (fig. 1).
Le tecniche usate hanno incluso diverse combinazioni di film a colori con camere fotografiche formato 70 mm. In particolare è stata sperimentata la ripresa di fotografie stereoscopiche su strisciata (Volo Apollo 6) e multi spet trali (Volo Apollo 9). Una estensione di queste ricerche si avrà con la missione
« Skylab » programmata per il 1972, che prevede lunghi periodi di sperimentazione di fotografia a colori e multi-spettrale con uso per la prima volta disistemi appositamente studiati.Sistemi ottico-meccaniciQuesti sistemi ottengono una immagine attraverso la combinazione del movimento del veicolo con il movimento rotatorio di una parte ottica (in genere specchio) dello strumento. Il terreno viene esplorato trasversalmente in linee contigue, durante le quali un numero molto elevato di misure fotoelettriche è effettuato. I segnali elettrici vengono amplificati ed inviati su tubo a raggi catodici,film, oppure registrati su nastro magnetico. La scelta. del tipo di cellula e diappositi filtri permette il rilevamento anche simultaneo su bande spettralimolto ristrette.I satelliti della serie Nimbus, lanciati a scopo metereologico, hanno sperimentato tali apparecchiature nell’infrarosso con successo (fig. 2).Satelliti della serie ERTS e «Skylab » saranno forniti di questi sistemi.Sistemi televisiviIl loro principale vantaggio è la possibilità di trasmettere a terra le immagini su di un lungo periodo di operazione del satellite.Essi saranno sperimentati nei satelliti della serie ERTS.Analisi dei datiIn primo luogo è necessario tenere a mente le dimensioni sul terreno dell'elemento risolutivo.Esse naturalmente non sono fisse, ma dipenderanno da fattori strumentali edoperativi.In condizioni ottimali, da una distanza di circa 400 Km, un obiettivo di mediocontrasto rispetto allo sfondo, dovrà avere dimensioni minime di 30 metri perpoter essere percepito al limite di risoluzione di un sistema fotografico. Comegià notato gli altri sistemi richiedono dimensioni superiori. La conseguenzasarà che gli studi possibili avranno principalmente carattere regionale.In secondo luogo è essenziale poter correlare i dati nello spazio e nel tempo.Per poter utilizzare congiuntamente le misure di differenti strumenti, e dunqueespandere le capacità interpretative, è necessario essere in grado di poterle attribuire allo stesso oggetto. Inoltre un insieme di fenomeni terrestri può esseresolamente studiato nel caso che se ne possa seguire lo sviluppo nel tempo.Per immagini fotografiche aventi buona risoluzione, le tecniche di analisivisuali sembrano le più indicate. Secondo i casi, l'interprete utilizzerà diversitrattamenti ottici delle immagini per filtrare e mettere in rilievo specifichestrutture. Ad esempio, minute differenze di densità fotografica possono essere analizzate tramite processi conosciuti come « color enhancement ». Procedimenti di « pattern recognition» possono applicarsi alle analisi delle microstrutture.Per gli altri sistemi i metodi più indicati sembrano quelli dell'analisi nume135
rica e statistica, con trattamento della informazione eseguito. su calcolatore elettronico. | Conclusioni
I risultati delle prime esperienze di rilievi fotografici terrestri dallo spazio hanno ecceduto le aspettative scientifiche. Soprattutto nel campo della geologia e geomorfologia le loro analisi hanno mostrato capacità di contribuire sostan zialmente alla conoscenza di entità quali: le unità primarie geologiche e geo morfologiche, le zone vulcaniche, i processi costieri di erosione e deposito. — Tuttavia, un impegno accresciuto deve: essere diretto alla conosenza com pleta sia dei vantaggi che dei limiti dei rilievi dallo spazio.
Una migliore comprensione dei mutui rapporti tra gli aspetti geografici natu rali, e delle caratteristiche tecnologiche ed operazionali per una loro corretta identificazione, deve essere raggiunta.
Esperienze di laboratorio e di terreno debbono ulteriormente investigare l'effetto dei fattori ambientali sulle .radiazioni terrestri.
Per terminare, i procedimenti di analisi dei dati spaziali debbono seguire tecniche avanzate di trattamento dell’informazione.
Nota dell'autore
Questa relazione, che ha carattere informativo, è stata compilata nel corso delle attività dell'autore in qualità di « Visiting Scientist » presso i laboratori della NASA del Manned Spacecraft Center in Houston, Texas. Essa illustra idee personali dell'autore e non intende presentare ufficialmente i programmi della NASA nel settore.
L'autore ringrazia sentitamente i colleghi del Manned Spacecraft Center per l'assistenza fornita ed il National Research Council - National Academy of Sciences per l'opportunità offerta di lavorare presso la NASA.