Flight log #2: gestione dell'Illuminazione solare, dell'Azimut e dell'Ora solare nei rilievi radiometrici

Introduzione: la variazione dell'Illuminazione come fonte di errore radiometrico

Nel telerilevamento aereo multispettrale, l'obiettivo primario è misurare la riflettanza pura della vegetazione, ossia la percentuale di radiazione solare riflessa dalle foglie rispetto a quella totale incidente per ciascuna banda spettrale. Tuttavia, la radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre non è una costante: varia continuamente in funzione dell'ora del giorno, della stagione, dell'angolo di zenith e di azimut solare, nonché della presenza di nuvolosità variabile.

Se un sorvolo con drone viene effettuato nell'orario sbagliato — ad esempio con il sole troppo basso sull'orizzonte o durante il passaggio di velature nuvolose non collocate — le immagini acquisite conterranno enormi porzioni di ombre portate e variazioni di luminosità che il software di elaborazione fotogrammetrica scambierà erroneamente per variazioni di vigoria vegetativa.

In questo secondo appuntamento della rubrica "Flight Log", curata da Dimitri Albino (pilota certificato EU-STS specializzato in rilievi radiometrici per ITALDRONI), analizzeremo i fattori radiometrici solari che governano i rilievi aerei professionali e le strategie operative per azzerare l'errore d'illuminazione.

1. la finestra solare ottimale: l'Angolo di zenith e l'Azimut

Operatore calibra la camera del drone sul pannello di riflettanza al margine del vigneto — Il pannello di riflettanza viene ripreso a terra subito dopo l'atterraggio.

Per minimizzare le ombre portate prodotte dalla struttura 3D degli alberi e ridurre l'effetto dell'anisotropia della riflettanza (descritta dalla funzione BRDF - Bidirectional Reflectance Distribution Function), i rilievi multispettrali devono essere eseguiti all'interno di una rigorosa Finestra Solare Ottimale:

[ Sole Troppo Basso (< 30°) ] [ FINESTRA SOLARE OTTIMALE (40° - 60°) ] [ Sole allo Zenith (90°) ] Ombre lunghe, dati errati Bilanciamento perfetto luce/ombra Riflesso speculare Hot-Spot

1. l'Angolo di zenith solare (θ_s)

L'angolo di zenith solare indica la deviazione del Sole rispetto alla verticale perfetta sopra la testa dell'osservatore:

Sole Troppo Basso (θ_s > 60^circ, ossia altezza solare < 30^circ): Si verifica nelle prime ore del mattino e nel tardo pomeriggio. Le chiome degli alberi proiettano ombre lunghe sul terreno interfilare. L'ombra viene fotografata dal sensore e miscelata con la vegetazione, abbassando artificialmente i valori di NDVI e NDRE.
Finestra Solare Ideale (Altezza Solare tra 40^circ e 65^circ): Corrisponde tipicamente alla finestra oraria compresa tra le 10:00 e le 14:30 (Ora Solare Locale). In questo intervallo le ombre proiettate sono ridotte al minimo e la canopia è illuminata in modo uniforme.
Il Rischio dell'Hot-Spot Speculare (Sole a 90^circ): Nei mesi estivi a mezzogiorno perfetto, il sole direttamente sopra il drone può causare il fenomeno dell'Hot-Spot (riflessione speculare diretta delle foglie), saturando i pixel della camera.

2. il sensore di irraggiamento solare (DLS) e i pannelli target in campo

Schema della finestra solare ottimale per rilievi radiometrici: ombre lunghe, sole a 40-60 gradi, hot-spot — Volare nella finestra solare giusta evita ombre e hot-spot sulle mappe.

Per convertire i dati di radianza grezza (Digital Numbers - DN) registrati dalla camera in dati di riflettanza percentuale assoluta, la flotta ITALDRONI adotta una doppia procedura di calibrazione radiometrica:

[ Irraggiamento Solare Cielo ] ──> [ Sensore DLS su Drone ] ───┐ ├──> [ Calcolo Riflettanza Assoluta % ] [ Radianza Terreno Scatto ] ──> [ Camera Multispettrale ] ───┘

1. il sensore DLS (Downwelling light sensor)

Montato sulla parte superiore del drone in posizione perfettamente orizzontale, il sensore DLS misura in continuo l'irraggiamento solare incidente per ciascuna banda spettrale ad ogni singolo scatto della fotocamera. Se durante il volo una nuvola passeggera riduce la luce del 20%, il DLS registra l'abbassamento e corregge matematicamente l'immagine corrispondente.

2. lo scatto al pannello di calibrazione radiometrica

Prima del decollo e subito dopo l'atterraggio, il pilota Dimitri Albino posiziona a terra un pannello target di riflettanza nota (tarato in laboratorio con valori di riflettanza compresi tra il 20% ed il 75%) ed esegue uno scatto di calibrazione senza coprire il pannello con la propria ombra.

3. matrice delle condizioni atmosferiche e decisione di volo

Correzione radiometrica: scatto pannello, sensore DLS attivo in volo e mappa di riflettanza calibrata — Quattro passaggi portano dalla foto grezza alla riflettanza calibrata.

4. esperienza di campo: ripristino del dato in condizioni di nuvolosità cirrostrato

Durante una campagna di telerilevamento condotta da ITALDRONI su un vigneto biologico di 50 ettari nel Chianti, l'arrivo imprevisto di velature alte di tipo cirrostrato ha modificato l'irraggiamento solare del 18% a metà missione.

Grazie al tracciamento radiometrico continuo condotto dal sensore DLS di bordo ed allo scatto sul pannello target effettuato da Dimitri Albino, le ortofoto multispettrali sono state ri-calibrate in fase di post-processing con un errore di riflettanza finale inferiore all'1,2%, consentendo la generazione di una mappa NDRE perfettamente omogenea.

La funzione BRDF e l'Effetto dell'Anisotropia della canopia

Un aspetto critico della radiometria aerea avanzata riguarda la Funzione di Distribuzione della Riflettanza Bidirezionale (BRDF - Bidirectional Reflectance Distribution Function). La canopia di una coltura non è una superficie lambertiana perfetta (ossia non riflette la luce in modo uguale in tutte le direzioni), ma presenta un comportamento fortemente anisotropo:

BRDF(θ_i, \phi_i, θ_r, \phi_r, λ) = dL_r(θ_i, \phi_i, θ_r, \phi_r, λ)dE_i(θ_i, \phi_i, λ)

dove θ_i, phi_i rappresentano gli angoli di incidenza solare e θ_r, phi_r rappresentano gli angoli di vista della camera a bordo del drone.

[ Sole Incidente (θi, φi) ] ──> [ Canopia Fogliare 3D ] ──> [ Riflettanza Anisotropa (θr, φr) ]

                                           │
                                           ▼

[ Correzione BRDF Software ] ◄─── (Modello Walthall) ─── [ Foto Multispettrale Raw ]

Come l'Inclinazione delle rotte di volo elimina l'Errore BRDF

Per neutralizzare i disturbi causati dall'anisotropia della vegetazione, Dimitri Albino imposta le linee di volo del drone ITALDRONI orientandole con un angolo di 45^circ rispetto alla direzione dell'azimut solare ed alla direzione dei filari. Questo accorgimento geometrico, unito all'applicazione del modello matematico di correzione BRDF di Walthall in fase di fotogrammetria, garantisce un'omogeneità spettrale perfetta su tutta l'ortofoto finale.

Modellazione dell'Anisotropia atmosferica e correzione dell'Aerosol

Oltre all'angolo solare, la qualità della radiometria aerea è influenzata dallo Spessore Ottico dell'Aerosol (AOT - Aerosol Optical Depth). Nei mesi estivi, la presenza di calura e micro-particelle in sospensione nei bassi strati dell'atmosfera provoca la diffusione Rayleigh e Mie della luce visibile, alterando la risposta della banda del Blu e del Verde.

Gli algoritmi di pre-elaborazione fotogrammetrica impiegati da ITALDRONI applicano il modello di correzione atmosferica FLAASH (Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Hypercubes), riscalando i valori di radianza atmosferica diffusa sulla base dei dati del sensore DLS di bordo e garantendo una riflettanza di superficie pura.

Conclusioni

La radiometria aerea non tollera approssimazioni. Il rispetto rigoroso delle finestre solari, l'impiego dei sensori di irraggiamento DLS e la calibrazione con target a terra costituiscono la firma metodologica della flotta ITALDRONI, trasformando ogni volo in un esperimento scientifico riproducibile nel tempo.