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CORSO TIE – PROF. LAZZARI – BOZZA DISPENSA DA INTEGRARE CON PRESENTAZIONI LEZIONI

SENSORI RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA: SPETTROFOTOMETRIA

TRADIZIONALE E D’IMMAGINE

Sommario SENSORI RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA: SPETTROFOTOMETRIA TRADIZIONALE E D’IMMAGINE ............. 1

1 - Inquadramento delle tecnologie in discussione all’interno del corso ..................................................... 2

2 - Comportamento dei corpi sottoposti a radiazione elettromagnetica ..................................................... 2

3 - Sensori disponibili per misurare la radiazione elettromagnetica ............................................................ 8

4 - Spettrofotometri ..................................................................................................................................... 9

4.1 - Con monocromatore a prisma ........................................................................................................ 10

4.2 - Con monocromatore a reticolo di diffrazione ................................................................................ 11

4.4 - Con monocromatore a filtri ........................................................................................................... 16

4.5 - Con monocromatore mobile ......................................................................................................... 18

4.6 - Con monocromatore fisso ............................................................................................................. 20

4.7 - Considerazione sulla diversa tipologia di sensori ........................................................................... 22

4.8 - Analisi qualitativa e quantitativa ................................................................................................... 22

4.9 - Esempi applicativi nel settore agroalimentare .............................................................................. 23

4.9 - Esempi applicativi nel settore dell’analisi dei foraggi zootecnici in campo e in azienda ................. 24

4.10 - Esempi applicativi nel settore della distribuzione dei liquami ...................................................... 27

4.11 - Esempi applicativi nel settore dell’analisi del latte durante la mungitura .................................... 32

4.12 - Esempi applicativi nel settore del monitoraggio delle coltivazioni in campo ............................... 35

5 - Spettrofotometria di immagine per riflettanza passiva ......................................................................... 41

5.1 - Concetto di cubo di dati ................................................................................................................. 42

5.2 - Sensori MULTILAYER ...................................................................................................................... 44

5.3 - Sensori a filtri rotanti ..................................................................................................................... 44

5.4 – Sensori a matrice di trasduttori tipo scanning ............................................................................... 45

5.5 – Sensori a matrice con mosaicatura simile alla tecnica fotografica digitale .................................... 46

5.6 - Esempi applicativi nel settore delle produzioni alimentare ............................................................ 49

5.7 – Esempi applicativi nel settore agricolo .......................................................................................... 50


1 - Inquadramento delle tecnologie in discussione all’interno del corso

I sensori oggetto di queste note sono stati storicamente impiegati nel settore agro-zootecnico per misure e

analisi chimiche dei prodotti. Essi sono quindi tipicamente diffusi nei laboratori analitici e da molti anni sono

impiegati dai ricercatori e dagli addetti del settore per la loro professione. I principi fisici che sottostanno al

loro funzionamento sono quindi relativamente ben conosciuti e consolidati.

Basandosi sul rilievo di radiazioni elettromagnetiche hanno la comune caratteristica di non essere invasivi.

Pur richiedendo in alcuni casi di venire a contatto con la materia da analizzare essi sono particolarmente e

tipicamente adatti ad essere impiegati nel rilevamento a distanza (prossimale o remota), senza avere

adesione con il materiale da analizzare.

In tempi recenti grazie alla spinta miniaturizzazione che ha interessato le tecnologie elettroniche di base si è

assistito a una rivisitazione della strumentazione disponibile che è diventata sempre meno costosa e

abbordabile anche in versioni portatili. Sì sta verificando così un processo di “uscita dai laboratori” di tutta

una serie di tecnologie che, quindi, diventano disponibili anche per applicazioni operative su macchine e

impianti del settore agro-zootecnico e delle produzioni animali e alimentari in genere.

Da un punto di vista generale essi consentono di percepire il mondo reale in modo “aumentato”, mediato da

una macchina di calcolo che consente all’utente di percepire fenomeni che non sarebbero osservabili dai 5

sensi.

2 - Comportamento dei corpi sottoposti a radiazione elettromagnetica

Per comprendere il funzionamento di questi sensori è necessario richiamare alcuni concetti fisici relativi alle

onde elettromagnetiche. Un’onda elettromagnetica si genera a partire dal movimento nello spazio e nel

tempo di una carica elettrica. Essa è quindi un fenomeno fisico legato all’esistenza stessa della materia al suo

stato elementare, in quanto quest’ultima, come è noto, può essere assimilata a livello atomico a un modello

(quello di Bohr) in cui corpuscoli “elettrici” (elettroni, protoni e neutroni), si rapportano reciprocamente tra


loro nello spazio in modo che attorno a un nucleo a carica positiva vi sia una nube elettronica a carica

negativa. Ad ogni vibrazione (cambio di stato energetico) di uno di questi corpuscoli atomici corrisponde

l’emissione (o l’assorbimento) di un’onda elettromagnetica.

Figura 2 – Schema modello di Bhor

A livello superiore, nelle molecole e nei cristalli (cioè in agglomerati di atomi), si hanno cariche elettriche che,

staccatesi dagli atomi, possono muoversi da un punto all’altro del sistema al quale fanno riferimento. La

velocità con la quale queste cariche elettriche si muovono, è essenzialmente riconducibile al loro stato di

eccitazione energetica: più sono eccitate più emettono radiazioni di elevata intensità energetica. Così, ad

esempio:

Il sole, che ha uno stato energetico elevato, emette radiazioni ad alto contenuto energetico;

La luna onde a basso contenuto energetico;

Qualsiasi materia a una temperatura pari allo 0 assoluto (-273,15 °C) non emette più nessuna

radiazione.

http://www.google.it/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCPmVq7SlgMgCFYvVGgodjhgGAA&url=http://www.chimicare.org/blog/filosofia/latomo-quantistico-strano-oggetto/&psig=AFQjCNFil2ZJ7CVCI3LsLS3lkM-b_cY7Iw&ust=1442655580730509


Fig… Spettri di emissione di diversi corpi caratterizzati da diverse temperature radianti medie

Le radiazioni sono caratterizzate da un andamento ondulatorio ciclico che passa da un valore massimo,

positivo, ad un minimo, negativo. Un’onda ha ampiezza A, ovvero il valore assoluto del massimo e del minimo

raggiunti durante il ciclo, e svolge un suo ciclo nel periodo di tempo T. Considerare il numero di cicli che

vengono svolti nell’unità di tempo permette di definire il valore della frequenza dell’onda (come F = 1/T in

Hertz - Hz). Poiché le onde viaggiano tutte alla velocità della luce (circa 300.000.000 m/s) se si divide lo spazio

percorso in un secondo (300.000.000 m) per la frequenza dell’onda si trova la sua lunghezza L. Le onde a

maggiore frequenza, cioè quelle più corte, sono quelle che arrivano da una fonte a un livello energetico molto

elevato e quindi sono quelle che hanno maggiore energia.


Fig. Spettro elettromagnetico

Quando un’onda emessa da una fonte che si trova a un livello energeticamente elevato arriva a contatto con

della materia a un livello energeticamente inferiore interferisce con questa e cede parte della sua energia

innalzando il livello energetico dei suoi componenti. Ciò avviene solo se la lunghezza di quella data onda

ricevuta dalla materia è compatibile con la lunghezza degli elementi che vengono colpiti dalla medesima. In

tal caso la radiazione viene assorbita e la materia passa a un livello energeticamente superiore. In caso

contrario (lunghezza non compatibile) il moto ondulatorio dei corpuscoli colpiti non viene modificato e la

radiazione attraversa la materia senza modificarla o viene riflessa.

Quindi possiamo affermare che sottoposto ad irraggiamento elettromagnetico, ogni corpo ha una

determinata proprietà di riflessione, assorbimento e trasmissione sia del calore radiativo, sia della luce, sia

di ogni altro tipo di onda. La riflettanza (ρ) è il potere riflessivo di un corpo sottoposto a radiazione. Si tratta

di un parametro percentuale adimensionale. La somma dei parametri di riflettanza (ρ), trasmittanza (τ) e

assorbanza (α) dà sempre 1, ossia: α + ρ + τ = 1 dimostrabile facilmente in quanto l'intero del raggio radiativo

che giunge sul corpo con la sua energia si frammenta preservando così il principio di conservazione

dell'energia: una parte è riflessa, una parte trasmessa e una parte assorbita.


Fig….. Metodi di interazione della radiazione elettromagnetica con la materia

Proprio in base a detto comportamento differenziato in funzione del tipo di onde che vengono impiegate

nell’analisi possiamo accademicamente (in realtà le onde onde elettromagnetiche sono un continuum)

distinguere in:

Spettroscopia infrarossa (NIR, MIR) oltre che termografia (che vedremo in seguito)

Spettroscopia ultravioletta/visibile (sensori ottici e spettrofotometria di immagine)

Spettroscopia di assorbimento atomico (AAS)

Spettroscopia di emissione atomica (AES)

Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare

La maggior parte delle applicazioni che verranno prese in considerazioni sono concentrate nel campo della

spettrofotometri infrarossa visibile e ultravioletta

Nella successiva figure il tipo di interazioni che le diverse tecniche hanno sui componenti della materia.


Ovviamente, come visto per le altre tecniche, la misura effettuata dal sensore viene poi restituita nello spazio

dell’informazione mediante delle procedure di analisi che, elaborando i dati grezzi mediante apposite

procedure e li trasformano in informazione in grado di aumentare il potere decisionale dell’utente.

Figure 1. TRASFORMAZIONI DI DATI DI MISURE ELETTROMAGNETICHE IN INFORMAZIONI. Notare la diversità della

rappresentazione dell’informazione stessa al variare delle 5 tecnologie sensoristiche impiegate


Computer vision approach and physical background of plant imaging. (a) Graphical representation of a generic computer vision process

enabling quantitative assessment of plant properties. Geometric and radiometric sensor calibration is an essential step. Importantly, the

last step in the chain is data interpretation. (b) Imaging plant function and structure is more than just ‘taking pictures’. Plant imaging aims

at quantitatively measuring traits by means of light interaction. Each photon that hits a plant tissue has three fates: it can be reflected,

absorbed, or transmitted. Absorbed photons may be re-emitted as fluorescence or phosphorescence. Each component of plant cells and

tissues has a wavelength-specific absorbance, reflectance, and transmittance properties. By measuring reflected and transmitted light,

we can address specific plant properties. Chlorophyll, for example, absorbs photons mainly in the blue and red spectral region of visible

light; water has its main absorption features in the near and short-wavelength; and cellulose absorbs photons in a broad region between

2200 and 2500 nm. Black right and left arrows at the top of the graph indicate additional regions outside the x-axis range that are used by

imaging techniques covered in this paper. We show an example of the different reflectivity of an Arabidopsis thaliana plant by displaying

images recorded at 440 nm (blue), 550 nm (green), 660 nm (red), and 770 nm (NIR): images (1)–(4), and corresponding numbers in the

graph, respectively. Additional information can be obtained by producing multicolor representatives of three wavebands: (5) standard RGB

images (red = 660 nm, green = 550 nm, blue = 440 nm); (6) false color image that uses the NIR reflectance instead of the red channel

(red = 770 nm, green = 550 nm, blue = 440 nm); (7) NDVI images showing the normalized difference between the NIR and the red

reflectance (NDVI = (R780 − R670)/(R780 + R680)), where R670 and R780 is the reflectance at 670 nm and 780 nm. Note that the background

totally disappears in this representation and differences in chlorophyll content become apparent. Images were calculated from

hyperspectral data cubes recorded with the SOC-700 imaging spectrometer, calibrated and processed using the ENVI software package

as described in [ 60]. Scale bar = 20 mm.

3 - Sensori disponibili per misurare la radiazione elettromagnetica

Come visto per i sensori in generale, anche in questo caso si hanno dispositivi composti da diversi stadi in

grado di interfacciarsi con il “misurando” per restituire un valore in uscita proporzionale all’energia incidente.

In particolare, l’elemento sensibile (trasduttore) può essere l’occhio (sotto in una delle figure è rappresentato

un canocchiale), una lastra fotografica, o uno dei trasduttori di seguito indicati di seguito che sono:

• basati su tubi a vuoto:

• fototubo: la luce provoca l'emissione di elettroni da un catodo in un tubo a vuoto

• fotomoltiplicatore: simile ad un fototubo, ma con uno amplificazione degli elettroni emessi

(dinodo)

• basati su semiconduttore:

• fotoresistenza: basato sulle cariche fotogenerate (cioè sugli elettroni eccitati dalla luce

incidente dalla banda di valenza alla banda di conduzione) in un semiconduttore

• fotodiodo: basato sulle cariche fotogenerate in una giunzione p-n

• cella fotovoltaica: simile ad un fotodiodo, ma non deve essere polarizzata per funzionare

• fototransistor: simile ad un fotodiodo, ma con amplificazione del segnale

• Charge Coupled Device (CCD), Charge Injection Device (CID) e CMOS: circuiti integrati basati

su cariche fotogenerate in un semiconduttore; permette di ricostruire l'immagine

• basati su effetti termici:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958166911007531#bib0300


• bolometro: misura dell'aumento di temperatura dovuto alla luce tramite una

termoresistenza

• cella di Golay: misura l'intensità di luce dall'aumento della pressione di un gas dovuto al

riscaldamento per irraggiamento

• rivelatore piroelettrico: sfrutta la piroelettricità

I tubi a vuoto e i fotomoltiplicatori sono realizzati inserendo due elettrodi opportuni all'interno di un'ampolla

mantenuta sotto vuoto. Quando il catodo viene colpito dalla sorgente dell’energia elettromagnetica emette

elettroni in modo ad essa proporzionale rendendo così possibile la misura dell’intensità della medesima. Si

tratta di tecnologie impiegate solo a livello di strumentazione da laboratorio fissa.

I trasduttori a semiconduttore, invece, sono più adatti a essere impiegati in strumentazioni mobili. La

frontiera tecnologica per questo tipo di dispositivi è costituita dai trasduttori CCD o CMOS.

Essi consistono in un circuito elettronico integrato formato da una riga, o da una griglia, di elementi

(fotodiodi) in grado di accumulare una carica elettrica proporzionale alla radiazione elettromagnetica. In tal

modo, nel caso di una riga, viene costituita una matrice lineare di n punti di misura, mentre nel caso della

griglia si ha una matrice di n*m punti di misura. Nel linguaggio convenzionale tali punti vengono poi detti

pixel.

L’impiego di tali dispositivi consente poi la realizzazione di due grosse categorie di strumenti di misura:

Gli spettrofotometri veri e propri, che analizzano in continuo lo spettro emissivo di un singolo punto

radiante; dopo avere effettuato tale lettura dello spettro in continuo. Si impiegano per lo studio

complessivo degli spettri elettromagnetici. L’energia riflessiva derivante dal singola areola di

superficie che si deve analizzare viene captata dallo strumento in fasi successive.

La spettroscopia di immagine, derivata dalle tecniche fotografiche, con la quale il sensore opera su

matrici di punti emissivi senso multispettrale o iperspettrale

Per la loro peculiarità di misurare una principalmente una emissione, un’altra categoria di sensori che si

basano sul rilievo della radiazione elettromagnetica (quelli per la termografia) verranno discussi in una

dispensa a parte.

4 - Spettrofotometri

Possono essere classificati in funzione:

1. del modo in cui realizzano il processo di suddivisione in bande dell’onda che vanno a incidere sul

materiale da analizzare (detta procedura di monocromazione)

2. del fatto che il dispositivo (detto monocromatore) che realizza il punto 1 sia fisso o mobile

Infatti, come visto, la radiazione può essere riflessa, assorbita o trasmessa dai singoli corpi ma ciò non avviene

in modo costante per tutte le frequenze. Ogni atomo o molecola si comporta in modo diverso a seconda della

frequenza con cui viene a contatto ed è quindi molto importante conoscere quali sono queste frequenze. Per

far ciò abbiamo bisogno di discriminarle e ciò si può ottenere mediante l’impiego dei monocromatori che


provvedono, dato una fonte di energia elettromagnetica, a suddividerla in fasce (o bande) di frequenza

diversa.

4.1 - Con monocromatore a prisma

All’inizio era il prisma, nel senso che i primi strumenti spettrofotometrici utilizzavano le caratteristiche dei

prismi per discriminare tra diverse bande di frequenza.

E' noto, infatti, che l'indice di rifrazione di un qualsiasi mezzo, non è costante, ma varia a seconda della

lunghezza d'onda incidente, cioè, nel caso qui preso a esempio della luce (ma questo vale anche alle altre

lunghezze d’onda), del suo colore, in maniera inversamente proporzionale ad essa (dispersione cromatica).

Questo vuol dire che per la luce rossa, che ha una grande lunghezza d'onda, si ha un indice di rifrazione

relativamente basso, mentre per la luce violetta, che ha una lunghezza d'onda più corta, si ha un indice di

rifrazione maggiore. La conseguenza di questo è che la luce violetta è rifratta in misura maggiore della luce

rossa, e così per tutta la scala cromatica. Se facciamo incidere un raggio di luce bianca, cioè composta di tutti

i colori, sulla faccia di un prisma (figura 1.9 ), vediamo che ogni colore subirà una deviazione diversa, dando

origine su un eventuale schermo posto dopo il prisma, ad una separazione dei vari colori.

Fig. Fenomeno rifrattivo provocato da un prisma

Lo spettrofotometro funziona su tale principio in quanto è in grado inviare (o ricevere) dai campioni analizzati

le frequenze per le quali si vuole analizzare il comportamento dei medesimi campioni. Infatti, nella sua

versione “primitiva” è costituito da un piatto girevole su cui è appoggiato un prisma, un collimatore che funge

da sorgente luminosa, un cannocchiale (sensore) attraverso cui si osserva il raggio rifratto dal prisma, ed

infine un goniometro che permette di effettuare misure di angolo di grande precisione.


Fig… principio di base del funzionamento di uno spettrofotometro a prisma

Conosciuta la potenza dei raggi monocromatici prodotti dal prisma, se posteriormente al medesimo prisma,

che funge da monocromatore, si mette una couvette con il campione da analizzare si può determinare il

valore dell’assorbanza o delle trasmittanza banda per banda.

Gli spettrofotometri richiedono una presenza di specchi di collimazione per rendere paralleli i diversi raggi

elettromagnetici. Nella fessura B di entrata il raggio luminoso viene disperso. Lo specchio C lo collima (rende

i singoli raggi paralleli fra loro). Il monocromatore D (prisma) ruota. I raggi separati per banda arrivano sullo

specchio E che li concentra nella fessura F di output (dove è presente il trasduttore – elemento sensibile).

Fig. Concetto di collimazione

La qualità di un monocromatore è definita da due parametri: l'ampiezza della banda passante e il potere

risolvente.

L'ampiezza della banda passante (Spectral Band Width, SBW) è definita come la larghezza della banda

nominale a metà altezza.

Il potere risolvente (R) esprime la “capacità” del monocromatore di separare fra loro due diverse lunghezze

d'onda.

4.2 - Con monocromatore a reticolo di diffrazione

Al posto che un prisma si può usare un reticolo di diffrazione, cioè un “creatore di arcobaleni”. Questo può

essere “attraversato” dalla luce, oppure la può riflettere.


In altri termini i reticoli sono di due tipi:

1. Reticoli di trasmissione ( o di diffrazione), sono costituiti da una serie di sottilissime fenditure, incise

con procedimenti di tipo fotografico su una superficie rivestita di alluminio; si ottengono così reticoli

che hanno da 600 a 2000 fenditure per ogni millimetro.

Fig. concetti di 1) rifrazione 2) diffrazione

2. Reticoli di riflessione, sono costituiti da una serie di solchi paralleli tracciati sopra una superficie

riflettente, piana o concava. Quando un fascio di radiazioni colpisce il reticolo, i raggi riflessi

interferiscono fra loro e danno luogo a uno spettro costituito da frange di diffrazione del tutto simili

a quelle ottenute con un reticolo di trasmissione. In pratica, sono usati soprattutto reticoli a

riflessione di fase (di tipo échelette o échelle) dove si possono ottenere fino a 1200 solchi per

millimetro.


Fig. funzionamento di un reticolo rifrattivo

I primi reticoli di rifrazione costruiti per uso commerciale (quindi da fabbriche specializzate) erano incisi

meccanicamente da una punta di diamante sopra uno strato sottilissimo di metallo depositato su una

superficie piana (o concava a seconda dell’utilizzo finale). Questo metodo persiste anche oggi e molti reticoli

usati in spettroscopia vengono realizzati mediante processo meccanico.


Fig … Esempio di reticoli di questo tipo si hanno in natura nella ali delle farfalle.

Fig… struttura microscopica dell’ala di una farfalla


Fig… I normali CD si comportano come reticoli di diffrazione

Oltre a queste procedura esiste anche la tecnica olografica per ottenere un reticolo. Il principio di

funzionamento si basa sul fenomeno d’interferenza. In entrambi i casi si produce il master e poi, a partire da

questo, si replica (come i cd rom)

Fig. … Profili ottenuti per incisione meccanica (a) ed olografica (b)

Le tecniche olografiche sono prodotte per produrre reticoli generati con laser sul film fotoresistenti. Non è

una idea nuova quella di utilizzare la luce per produrre reticoli, ma ciò si è reso possibile dalle nuove


tecnologie per sviluppare laser sempre più precisi e film fotoresitenti di supporto sempre più performarnti

che limitano gli errori di riproduzione. In altri termini MAGGIORI PRESTAZIONI A COSTI PIU’ RIDOTTI.

Fig. … Reticolo di diffrazione olografico da 500 linee/mm

Anche con il reticolo di diffrazione, per fare arrivare al detector le onde elettromagnetiche banda dopo

banda, si deve avere un sistema che fa ruotare il reticolo.

Basate su questi tipi di tecnologia dei reticoli di diffrazione si sono poi avute sul mercato due generazioni di

monocromatori. Quelli a singolo monocromatore e quelli a doppio monocromatore.

4.4 - Con monocromatore a filtri

I filtri ottici contengono opportune sostanze che assorbono gran parte delle radiazioni visibili lasciando solo

la banda desiderata. Anche combinando più filtri, rimangono comunque bande passanti dell'ordine di 50 nm.

Si utilizzano solo nei colorimetri.

I filtri interferenziali si basano su un fenomeno tipicamente ondulatorio (l'interferenza) che causa

rafforzamenti o indebolimenti tra due radiazioni che si sommano a seconda che siano o meno in fase tra loro.

Sono più efficienti dei filtri basati sull'assorbimento, consentendo bande passanti dell'ampiezza di 20 nm (nel

visibile); sono tuttavia più costosi.

I

Next generation: The Linear Variable Filter (LVF) monochromator, engineered especially for theCLARIOstar®.

http://www.bmglabtech.com/en/products/microplate-readers/clariostar-obj-42-730.html



4.5 - Con monocromatore mobile

In generale i monocromatori possono essere di tipo mobile o fisso


Nei monocromatori mobili, siccome l’elemento monocromatore ruota, la misura richiede un certo tempo che

dipende da come è suddiviso lo spettro in singole bande (risoluzione spettrale).

Per ogni tempo “tbanda” si imposta un angolo della base del piatto del prisma e si esegue la singo la misura

di riflettanza, trasmittanza o assorbanza sulla singola lunghezza d’onda. Dopo un tempo Tspettro dato dalla

sommatoria dei tempi tbanda (1..n) si ottiene uno analisi complessiva dello spettro medesimo. L’energia

viene misurata con un unico detector, cioè un unico sensore di quelli sopra indicati.

Fig. --- In a single detector spectrophotometers, the amount of light transmitted (or reflected) is detected

one wavelength at a time.

In figura è rappresentata la misura della banda del verde (l’unica che attraversa il campione), facendo girare

in senso orario il prisma si esegue la misura del blue, in senso antiorario il giallo e il rosso.

Alla lunghezza v1 v2 v3 sono le diverse frequenze d’onda delle bande. C’è stato assorbimento in v2.


4.6 - Con monocromatore fisso

Visto che il costo dei sensori (dei diodi) sta riducendosi molto velocemente, si può migliorare la velocità di

lettura impiegando, al posto di un unico diodo più diodi

Fig. Negli spettrofotometri con array di diodi lo spettro è ottenuto in un unico passaggio

Ogni diodo misura solo l’energia della banda che riceve!!!!! La banda è comunque prodotta dal dispersore

che può essere sia un prisma sia un reticolo di diffrazione.

Il comportamento di un simile dispositivo ad array di diodi può essere avvicinato a quello che si aveva nelle

prime applicazioni spettrofotometriche nelle quali si impiegavano lastre fotografiche per registrare gli spettri

prodotti:

per prima cosa, era possibile registrare anche spettri molto deboli (bastava prolungare il tempo di

emissione);

secondariamente, era possibile avere unas stima oggettiva dell’intensità confrontando il grado di

annerimento.

Facile fare una analogia tra l’array di diodi e l’uso di lastre fotografiche.


ESISTONO SOLUZIONI INTERMEDIE IN CUI IL MONOCROMATORE MOBILE MANDA SULL’ARRAY DI DIODI

SEQUENZE SUCCESSIVE DI FREQUENZE. In questo modo si diminuisce la banda di ogni singolo raggio (si può

arrivare a pochi nanometri).

OVVIAMENTE QUANDO SI LAVORA IN RIFLETTANZA C’E’ UNA SORGENTE DI LUCE ATTIVA CHE INVESTE IL

CAMPIONE DA ANALIZZARE


4.7 - Considerazione sulla diversa tipologia di sensori

Il passaggio da strumentazioni con elementi mobili e con un solo trasduttore a strumentazioni con elementi

fissi e una ampia matrice di trasduttori sta determinando una semplificazione dei dispositivi impiegati e un

grande decremento dei loro costi. Come accennato in premessa questa evoluzione sta portando sempre più

ad avere a disposizione tecnologie robuste ed affidabili che possono essere facilmente impiegate su impianti

e macchine nella fase di acquisizione di dati grezzi sia per il monitoraggio, sia per il controllo di processo.

4.8 - Analisi qualitativa e quantitativa

…


Fondamentale è la taratura di questi strumenti e l’avere a disposizione un databse di spettri sufficientemente

vasto

4.9 - Esempi applicativi nel settore agroalimentare

..


4.9 - Esempi applicativi nel settore dell’analisi dei foraggi zootecnici in campo e in azienda

Obiettivi:

valutare la composizione dei foraggi prima della raccolta per determinare il momento ottimale

valutare la composizione durante la raccolta per scegliere meglio le modalità di raccolta stessa e di

conservazione

effettuare la raccolta differenziata di partire a diverso livello qualitativo

monitorare nel tempo la composizione dei foraggi conservati

determinare la diversa composizione nelle diverse sezioni del silo

monitorare la razione nel carro miscelatore

valutare la




Spesso il grado di uniformità di una trincea di insilato, di una grande partita di foraggio o del carro miscelatore

per bovini è dato per scontato: la realtà, disvelata dal controllo sistematico, riserva molte sorprese,

soprattutto nel prodotto finito: l’unifeed. Con frequenza minore, ma con conseguenze non meno gravi,

ritroviamo gli stessi punti critici in miscele aziendali di altre specie produttive (es. suini). L’elevata variabilità

di composizione oltre a creare costose problematiche di allevamento, riduce l’efficienza produttiva.

Da sottolineare tuttavia la difficoltà a stimare con ACCURATEZZA le composizioni. Quanto segue riferisce di

una prova di confronto fra analisi effettuate con uno strumento portatile ed analisi effettuate da un

laboratorio STANDARD.

The objective of this experiment was to determine how closely related two different near infrared reflectance

spectroscopy machines were in analyzing the components of corn silage and alfalfa hay. Corn silage and

alfalfa hay samples were taken between July 3, 2013 and August 7, 2013. There were a total of 79 corn silage

samples taken from 36 dairies. All samples were tested in the AgriNIR Forage Analyzer first. The same sample

was then taken and analyzed by Dairy One Forage Analyzing Laboratory. There was a large difference in the

results between the two machines. They had disagreement in their test results and the disagreement varied

by component. Several components had a low correlation between the two machines, so the disagreement

was not linear. Other components had a high correlation, but they had a large difference in actual values.

4.10 - Esempi applicativi nel settore della distribuzione dei liquami

La variabilità della concentrazione di fertilizzanti nei liquami zootecnici è grandissima. Essa dipende:

dalla razza dell’animale

dall’alimentazione

dal clima


dalle modalità di gestione della stabulazione

dalle modalità di stoccaggio

dalle modalità di ripresa dallo stoccaggio

dalle modalità di distribuzione

Nella realtà operativa raramente si conosce il tenore in elementi fertilizzanti.

Fig. - Esempio di analisi su campioni di liquami bovini


Fig. – Contenuto di nutrienti in diversi tipi di liquami

E’ così decisamente difficile impostare delle concimazioni razionali quando si debbono distribuire i liquami.

Una possibile soluzione è quella di misurare la composizione dei medesimi durante lo spargimento mediante

tecniche spettrofotometriche NIR. Esperienze come quelle riportate di seguito, mettono come al solito in

evidenza come vi sia comunque un problema di ACCURATEZZA e PRECISIONE delle misure


In ogni caso, si stanno diffondendo soluzioni come quelle di seguito riportate.



4.11 - Esempi applicativi nel settore dell’analisi del latte durante la mungitura

L’impiego della spettrofotometria per l’analisi del latte è una tradizione consolidata nel setttore lattiero caseario e anche le aziende zootecniche ne hanno beneficiato da molto tempo (si pensi a tutti i servizi forniti dall’ARAL). Quello che è un nuovo fenomeno è il fatto che questa strumentazione sia sempre più spesso proposta anche per installazioni in negli allevamenti. La composizione del latte può essere influenzata da vari fattori. Per esempio il livello di proteine è solitamente influenzato dall'energia della razione, dovuta a carboidrati e grassi alimentari. E noto che l'aumento della proteina by-pass nella razione delle bovine da latte contribuisce a un maggior contenuto di proteine nel latte. Molti fattori tendono a ridurre la percentuale del grasso nel latte, tra cui malattie, eccessivo stress, caldo e la mungitura incompleta. Il calo del contenuto del grasso nel latte è tipicamente associato ad acidosi, che si può verificare in seguito alla somministrazione di razioni scorrette, con elevati quantitativi di energia e bassi quantitativi di fibra. Fattori che invece aumentano i livelli di grasso sono la genetica, basse produzioni, tarda lattazione, buona BCS, il freddo e l'alimentazione ad alta contenuto in fibra. Un dato molto interessante è il rapporto tra grasso e proteine, infatti esso riflette lo stato energetico della vacca. Per quanto riguarda il lattosio viene identificato come un indicatore della capacità sintetica delle cellule epiteliali della mammella, infatti si riduce in presenza di mastite. Altro dato importante sono le cellule somatiche (SCC), infatti il latte mastitico ha una maggiore concentrazione di cellule somatiche, in particolare dei neutrofili. Essi svolgono un ruolo protettivo contro i batteri che causano mastiti. Una vacca con oltre 200.000 cellule/ml ha più probabilità di essere infetta. Dunque questo parametro è diventato uno strumento importante nella definizione dello stato di salute della mammella. L’interpretazione di questo dato dovrebbe considerare: lesioni del capezzolo e della mammella, numero di quarti infetti da mastite e variazioni fisiologiche delle singole vacche. Altri fattori che influenzano il livello di SCC sono: età della vacca, stadio di lattazione, stagione, stress, sostanze chimiche irritanti (come terapia antibiotica), il livello igienico-sanitario e impianti di mungitura. I sensori spettrofotometrici possono essere impiegati nei lattometri per determinare in continuo la composizione del latte (ex. AFILAB, DeLaval, etc.)


Di solito si utilizza la regione infrarossa dello spettro elettromagnetico, da circa 800 nm a 2500 nm, per

indagare in modo non distruttivo sulle proprietà chimico-fisiche dei campioni. Il latte di una bovina, durante

la mungitura, viene attraversato da un raggio di luce e lo spettrofotometro, leggendo la rifrazione della luce

che viene riflessa dal latte è in grado come prima accennato di determinarne il contenuto di grasso, proteina,

lattosio, presenza di sangue e stima delle cellule somatiche espresse in classi.

Tutto ciò permette analisi rapide e non invasive che non richiedono alcuna preparazione dei campioni. Inoltre

si è in grado di misurare contemporaneamente e rapidamente un gran numero di parametri di un unico

campione. Un’altra caratteristica molto apprezzata è quella del rispetto dell’ambiente in quanto non prevede

l’uso di solventi chimici o reagenti per effettuare l’analisi.

Come sopra detto, il rapporto Proteine/grassi è particolarmente importante per individuare vacche in deficit

energetico o in chetosi



Applicazioni future prevedono di impiegare la tecnica per individuare anche la sindrome di Acidosi sub-acuta.

4.12 - Esempi applicativi nel settore del monitoraggio delle coltivazioni in campo

In particolare, per il monitoraggio colturale si usa una particolare tecnica di riflettanza attiva in cui la

radiazione inviata sulle foglie e’ prodotta a particolari lunghezze d’onda in modo da potere calcolare indici

quali quelli indicati di seguito.


Fig. 3.7 – Rappresentazione schematica di come i diversi componenti della foglia si comportano nei confronti delle

radiazioni elettromagnetiche nelle bande del visibile e del vicino infrarosso

Essi si basano sul fatto che è esperienza comune della gente che lavora a contatto nella natura riconoscere

che se una pianta “sta bene” è “molto verde”, se “sta male” allora “ingiallisce e si arrossa”.

Questo ha a che vedere con il fenomeno complesso di assorbimento e riflessione da parte delle foglie della

luce visibile e delle onde nell’infrarosso (quelle che sono appena più lunghe di quelle del campo del visibile e

che arrivano fino a 2400 nm) rappresentato in figura 3.7.

In particolare si può notare come la foglia quando è sana e vigorosa, cioè quando è normale, tenda ad

assorbire i raggi Ultravioletti e Blu (assorbiti dal parenchima), quelli rossi (assorbiti dalla clorofilla), mentre

assorbe solo parzialmente e quindi riflette in una quota più o meno importante quelli verdi (riflessi dal

collenchima) e quelli infrarossi (che interessano sempre la clorofilla).

Spiegato così il perché quando vediamo una foglia che perde il colore verde e incomicia ad andare verso

colori “caldi” la nostra esperienza ci dice che si sta entrando in una condizione di stress. Infatti la clorofilla

non riesce più ad assorbire la luce rossa che quindi viene riflessa!!!!

Misurare quanta radizione rossa viene assorbita, quindi, ci da con buona approssimazione una idea del

contenuto di clorofilla e, quindi, dello stare bene della foglia.

Questo è spiegato in maggiore dettagli in figura 3.8.


Fig. 3.8 - Spettro di riflettanza di una pianta

In generale, la curva di riflettanza di una pianta si caratterizza per:

Valori bassi nella regione del visibile (400-700 nm) a causa del forte assorbimento da parte della clorofilla

e degli altri pigmenti foto-attivi, meno efficaci nella regione del verde (550 nm), motivo per cui il tessuto

vegetale ci appare di questo colore;

Valori elevati nella regione del vicino infrarosso (700-1300 nm) dovuti all'assenza di assorbimenti

specifici a queste lunghezze d'onda e alle riflessioni multiple che avvengono in corrispondenza delle

interfacce aria/cellula;

Valori contenuti nella regione del medio infrarosso (1300-2500 nm) in corrispondenza delle ampie bande

di assorbimento dell'acqua e di alcuni deboli assorbimenti da parte dei composti azotati e carboidrati.

Per questa ragione, quindi, quasi tutti i sensori ottici impiegati sulle colture basano il loro principio di

funzionamento sulla riflettanza R, che è definita a ogni lunghezza d'onda dal rapporto tra l'intensità della

luce riflessa IR e quella incidente Io.

Questo rapporto rappresenta "un'impronta spettrale" del campione esaminato che contiene informazioni

riguardo alla biomassa e la concentrazione degli elementi in essa presenti. Ognuno dei costituenti del tessuto

vegetale - acqua, clorofilla, pigmenti secondari, cellulosa, lignina e proteine - assorbe la radiazione incidente

in specifiche bande spettrali, modificando lo spettro della frazione riflessa in funzione della concentrazione

con cui esso è presente nella pianta.

La valutazione dello stato fisiologico delle piante mediante misure di riflettanza, si basa principalmente

sull'analisi delle modificazioni spettrali (figura 3.9) connesse a:

La densità di biomassa prodotta, quale indice di vigore;

La concentrazione di clorofilla, quale indice dello stato nutrizionale e, in particolare, della disponibilità

di azoto;

La concentrazione relativa di pigmenti secondari rispetto alla clorofilla, quale indice dello stato

fenologico o di senescenza;

L’efficienza del sistema fotosintetico e del processo di evapotraspirazione;

Il contenuto di acqua;

La presenza di lesioni dovute ad attacchi patologici.

)()( O

R

I

IR


Fig. 3.9 – Confronto fra impronta spettrale tra foglie sane e in qualche modo sottoposte a stress

In ogni caso, tutti i fattori che influenzano la crescita sono correlati con il processo fotosintetico che sta alla

base della produzione primaria di biomassa. In altri termini, il contenuto di clorofilla, determina la produzione

e se su una coltivazione si misurano elevati contenuti di clorofilla, si può ragionevolmente supporre che quella

coltura arriverà a livelli produttivi elevati. Il concetto è analogo a quello di capacità di lavoro delle macchine;

più questa caratteristica è elevata più è probabile che la produttività della macchina sarà elevata. Quindi,

combinando il fatto che la riflettanza della luce visibile risulta correlata alla presenza di clorofilla e che, la

riflettanza delle onde nel vicino infrarosso (NIR) è proporzionale alla quantità di biomassa vivente nella massa

vegetativa, possiamo ricavare un indice che risulta correlato con la produzione (sempre che non si abbiano

deficit di natura idrica o eventi di stress legati alla presenza di fitopatie). Ciò semplifica di molto, come

vedremo meglio in seguito, l’impiego dei sensori di misura.

Come accennato, al fine di semplificare le cose, sono spesso impiegati gli indici spettrali ottenuti come

semplice combinazione algebrica dei valori spettrali misurati a due o più specifiche lunghezze d'onda. Essi

consentono, sia di sintetizzare l'informazione multispettrale in un singolo parametro correlato allo stato

fisiologico e sanitario della coltura, sia di attenuare il disturbo di fattori che colpiscono in misura simile le

diverse bande spettrali (variazioni del livello d’illuminazione, ombreggiamenti, effetti dovuti alla geometria

della vegetazione ecc.).

Col progredire delle tecniche di misura sono stati via via introdotti numerosi indici spettrali tra cui quello più

utilizzato è l'Indice di Vegetazione a Differenza Normalizzata (NDVI), definito dal rapporto tra la differenza e

la somma della riflettanza nel vicino infrarosso e rosso:

NDVI = (NIR780-Red680)/ (NIR780+Red680)

Questo indice è significativamente correlato alla quantità di biomassa vegetale per unità di superficie (o Leaf

Area Index, LAI), dunque al vigore della coltura (figura 3.10). Il suo valore varia da 0.1-0.3, corrispondente a

un suolo nudo o poco inerbito, fino a raggiungere un valore asintotico di saturazione attorno a 0.8-0.9 per

una vegetazione con LAI>5.


Fig. 3.10 – I fenomeni di riflettanza che stanno alla base della determinazione dei valori di NDVI1

E’ possibile impiegare anche altri indici spettrali tra i quali quello che sembra dare i maggiori benefici per i

rilievi su piante particolarmente vigorose è l’indice NDRE (Normalized Difference Red Edge):

NDRE = (NIR780-RedEdge730)/ (NIR780+RedEdge730)

La scelta di alcuni costruttori di sensori di impiegare l’indice NDRE risiede nel fatto che la riflettanza nella

banda del RED-EDGE è particolarmente influenzata dalla presenza di clorofilla e non tanto dalla presenza di

biomassa. Così, l’NDVI ha una risposta molto lineare nei primi stadi di sviluppo della pianta, quando la

biomassa presente è limitata ma, non quando questa si trova a uno stadio avanzato di crescita in quanto

tende ad essere saturato proprio dalla presenza di biomassa. Al contrario l’indice NDRE ha un andamento

lineare a tutti gli stadi di crescita. In particolare, il grafico di figura 3.11 mostra come l’NDVI cambia

notevolmente tra le colture sane e quelle stressate nelle diverse fasi di crescita. Tuttavia, man mano che lo

sviluppo della pianta avanza, l’NDVI non è più molto efficace nel distinguere le piante stressate e sane poichè

la relazione che lega l’indice al vigore tende ad appiattirsi. Il grafico mostra come l’NDRE sia il miglior

indicatore per identificare le piante più forti e sane da quelle più deboli anche nelle fasi più avanzate della

crescita perché, anche con valori di vigore elevati si ha comunque una relazione direttamente proporzionale

tra i valori in x e quelli in y (la relazione è lineare, non curva).

1 1 Le lunghezze d’onda indicate come 780 e 680 nm sono indicative, in quanto ii diversi sensori possono calcolare lo stesso indice con lunghezze che stanno sempre nel campo del NIR e del RED ma su bande centrate su valori di lunghezza d’onda leggermente differenti


Fig. 3.11 – L’indice NDVI tende a saturarsi quando si è di fronte a piante molto vigorose (la curva tende a diventare

piatta), mentre l’indice NDRE cresce sempre in modo lineare anche a valori di LAI elevati


5 - Spettrofotometria di immagine per riflettanza passiva

Misurazioni in riflettanza passive possono essere fatte impiegando spettofotometri come quelli visti

precedentemente oppure misurando la distribuzione spettrale della radiazione riflessa in ogni pixel di una

immagine di una scena.

In generale si può dire che la tecnica fotografica è una tecnica spettrofotometrica. Più in particolare, la

tecnica della fotografia digitale è una tecnica in cui l’immagine viene captata attraverso l’impiego di una

matrice di sensori. L’elemento sottoposto ad indagine (il campione) viene scomposto in pixel. Non si analizza

più il campione complessivo, ma parti di esso (aree) e per ognuna di esse di esse si valuta non l’intero spettro

complessivo in continuo, ma solo alcune bande. Tipicamente viene impiegata per analisi in riflettanza.

Molto diffusa è per l’analisi del suolo (prossimale o remota). Più recentemente si è diffusa anche per l’analisi

della qualità dei prodotti. Concettualmente è molto vicina alla fotografia. Infatti, le nomali macchine

fotografiche digitali, quindi anche quelle che sono inserite negli smartphone, sono spettrofotometri tribanda

nel campo delle onde elettromagnetiche visibili.

Le misure vengono fatte su dei fotodiodi ai quali sono sovrapposti filtri per RGB.


Fig. ….. In una comune macchina fotografica la disposizione dei filtri è fatta per avere due verdi ogni rosso e

blue. La matrice può essere immaginata come una matrice di 4 diodi moltiplicata per n volte.

https://www.youtube.com/watch?v=NJUw48PCRWI

https://www.youtube.com/watch?v=Xkput-1xNYE

5.1 - Concetto di cubo di dati

Come detto, l’immagine è costituita da una matrice di pixel. Quando si opera con una tecnologia che consente

il rilievo di un'unica banda (nell’immagine seguente la scala di grigi), si ha una matrice con un solo strato di

dati. (Ad esempio la tecnica termografica, usando un sensore bolometrico).

Passando a un rilievo come quello fotografico RGB, si ha una matrice con un numero di punti pari ai pixel con

tre strati di dati (vedere il concetto di codifica dell’immagine nelle lezioni precedenti).

Se i rilievi vengono fatti con tecniche multispettrali (quindi rilevando un numero di bande di frequenza fino

a 5-6), si hanno 5-6 strati, mentre nel caso delle tecniche iperspettrali, questi ultimi diventano molto più

numerosi.


Così, come rappresentato nella figura successiva, quando si effettuano riprese in remote sensing con tecniche

iperspettrali si hanno degli enermi cubi di dati.

Di seguito verrano desritte alcune delle soluzioni tecnologiche che sono ad oggi applicate nel settore.

L’evoluzione è talmente rapida che necessariamente quanto riportato rappresenta un quadro molto

semplificato di quanto si può ritrovare sul mercato.

http://www.apex-esa.org/sites/default/files/pictures/hyper.gif


5.2 - Sensori MULTILAYER

5.3 - Sensori a filtri rotanti


5.4 – Sensori a matrice di trasduttori tipo scanning

In una camera iperspettrale, l'ottica anteriore cattura l'immagine della luce riflessa da un segmento di linea

del "campione target" sulla fenditura d'ingresso dello spettrografo. Questa luce viene dispersa in diverse

lunghezze d'onda dai reticoli all'interno dello spettrografo. La luce dispersa è catturata dalla CCD come

immagine bidimensionale[X, λ], X rappresenta la posizione spaziale e ? rappresenta la dimensione spettrale.

Per catturare l'intera immagine, occorre effettuare istantanee di ogni linea in tutta l' "area target". Una

rappresentazione schematica di immagini "push-broom" è mostrata in fig.5.


Sincronizzando il movimento tra la camera, l' "oggetto target" e l'acquisizione, si possono catturare diverse

linee dell'oggetto e quindi generare l'ipercubo [X, Y, λ] dove Y rappresenta la seconda dimensione spaziale.

Tra i vantaggi della tecnica "push-broom" c'è quello di ridurre il carico di illuminazione, infatti ogni linea dell'

"area target" deve essere illuminata una per volta. Ciò riduce moltissimo il carico termico sul campione

rispetto ad altre tecniche di imaging. I sistemi HSI "push-broom" sono ideali per misure online con oggetti in

movimento. Questi sistemi possono essere trasferiti direttamente dai laboratori di R&D alla linea di

produzione nel settore industriale, senza modifiche al sistema. Ad esempio, un sistema di questo tipo, può

essere utilizzato per lo smistamento della frutta in movimento su un nastro trasportatore.

5.5 – Sensori a matrice con mosaicatura simile alla tecnica fotografica digitale

Un’alternativa alla impostazione scanner prevede di realizzare dei filtri direttamente al disopra della matrice

e non ha quindi necessità di montare nessun elemento diffrattivo tra ottica e sensori.


Hyperspectral imagine with filter



5.6 - Esempi applicativi nel settore delle produzioni alimentare

Anche in questo caso, quanto di seguito riportato è estremamente limitato in quanto si sta assistendo a una

vera e propria “invasione” di queste tecnologie in tutti i settori produttivi. Infattie tecniche di spettroscopia

d’immagine multispettrali e iperspettrali sono sempre più utilizzate nella valutazione della qualità dei

prodotti alimentari e nel controllo sicurezza alimentare. Trattandosi di una tecnica non distruttiva e al tempo

stesso molto rapida è ideale per il controllo online di qualità dei prodotti alimentari. Un esempio per tutti: i

ricercatori del Campden & Chorleywood Food Research Association (CCFRA) e Gilden Photonics Ltd (GPL)

hanno sviluppato un sistema HSI per determinare la distribuzione del grasso e dell' acqua contenuti nei cibi

fritti, distribuzione del grasso nella carne, la freschezza del pesce e per l'analisi dei prodotti da forno. Le

tecniche convenzionali come la spettroscopia NIR sono state in grado di fornire solo la quantità media di

grassi negli alimenti. La tecnica HSI facilita, per esempio, l'analisi della distribuzione (non uniforme) del grasso

in una ciambella. E' stata effettuata una misura nella regione spettrale NIR. Il grasso e l'acqua hanno bande

di assorbanza ben distinte nella regione NIR (fig 6).


5.7 – Esempi applicativi nel settore agricolo

Per quando riguarda il settore agricolo, i sensori iperspettrali trovano da molti anni impiegati per il remote sensing da satellite e da aereo e, più recentemente, da drone.

In realtà nei rilievi remote sensing non vengono impiegati solamente sensori multi spettrali o iperspettrali, ma anche altre tecniche, come la tecnica termografica che verrà descritta successivamente.


Il primo sensore iperspettrale chiamato “Airborne Infrared Imaging Spectrometer” (AVIRIS), fu lanciato su satellite nel 1987. Questo sensore fornisce immagini in bande che hanno una risoluzione spettrale di 10 nm e una risoluzione spaziale di 20 m. Datt, Jupp, McVicar, e Van Niel (2003) hanno mostrato che i dati iperspettrali potrebbero essere utilizzati per prevedere modelli spaziali di rendimento del riso coltivato in Australia. Miglani, Ray, Pandey, e Parihar (2008) hanno dimostrato che 20 bande iperspettrali erano necessarie per gli studi di rilevamento nel distretto di Meerut, in India. Wu, Wang, Niu, Gao e Wu (2010) hanno dimostrato che gli indici vegetativi che si basano sul rosso, a partire da dati iperspettrali potrebbero essere utilizzati per stimare con precisione il contenuto di clorofilla e LAI (indice di area fogliare) per una vasta gamma di colture agricole in Cina. L’immagine iperspettrale, offre la possibilità di rilevare una grande varietà di terreni e le caratteristiche delle colture contemporaneamente, tra cui l'umidità, lo stato della materia organica, nutrienti, clorofilla, carotenoidi, cellulosa, indice di area fogliare e delle colture da biomassa (Goel et al., 2003; Haboudane et al., 2002; Zarco-Tejada et al., 2005).


Esistono specifiche lunghezze d'onda per ogni tipo di terreno o di coltura. Una banda rossa centrata a 687 nm è sensibile all’indice dell'area fogliare e alla biomassa, mentre una banda del vicino infrarosso centrata a 970 nm è sensibile alle colture e allo stato di umidità (Thenkabail, Lione, e Huete, 2010). Ulteriori esempi di collegamento tra specifiche caratteristiche del suolo e delle colture con riflettanza sono dati per 33 bande iperspettrali di Thenkabail et al. (2010). Il problema dell'immagine multispettrale è spesso limitato all'analisi di combinazioni di bande a larga scala, come NDVI, inoltre è fortemente ostacolato dalla riflettanza del terreno nudo. I rapidi progressi del telerilevamento per l'agricoltura di precisione si sono verificati nel corso degli ultimi 25 anni. Per i satelliti è migliorata la risoluzione spaziale, il ritorno della frequenza e la risoluzione spettrale. Le immagini iperspettrali hanno rivoluzionato la capacità di distinguere più caratteristiche delle colture, compresi i nutrienti, l’acqua, i parassiti, le malattie, le malerbe e la biomassa. I sensori pos izionati a terra hanno sviluppato il monitoraggio on-the-go delle colture e del suolo per caratteristiche come lo stress dovuto alla mancanza di N, stress idrico e il contenuto di umidità. L'agricoltura di precisione è progredita attraverso molte fasi. Per iniziare l'agricoltura si basava sulle caratteristiche del suolo, per poi progredire alle colture, sito-specifiche ovvero una gestione basata sulle zone di campionamento. Più recentemente c'è stata una crescente enfasi sulla raccolta di dati e modifiche della gestione in tempo reale, on-the-go tramite monitoraggio con sensori basati a terra. La sfida per il futuro è quella di sviluppare l'agricoltura di precisione con approcci che possono fornire la gestione personalizzata dell’ azienda. Vi è un notevole potenziale in agricoltura di precisione, combinando i dati di telerilevamento archiviati con i dati in tempo reale per una migliore gestione agricola (Thenkabail, 2003). Archivi storici sono disponibili con i dati di rilevamento raccolti in molti luoghi di Landsat, SPOT, IRS, IKONOS, e QuickBird. Questi dati includono tipicamente riflettanza nel B, G, Bande R e NIR, a risoluzioni spaziali di 0,6-30 m. Dati ausiliari a questi, tra cui la resa delle colture, mappe di modelli digitali di elevazione e mappe di serie del suolo potrebbe essere combinati con i dati storici di telerilevamento per identificare potenziali aree di gestione in cui la precisione per le operazioni di input possono essere implementate. Più recentemente, l’impiego di droni ha fatto salire all’attenzione dell’opinione pubblica l’impiego delle tecniche multispettrali e iperspettrali sopra descritte, sia con tecniche multi spettrali (prima figura), sia con tecniche multispettrali (seconda figura).


..

Fig. Remote sensing di terreno agricolo effettuato con drone in vista del riconoscimento automatico delle

colture effettuate.

In questo contesto, il passaggio da tecnologie spettrali tradizionali, a quelle scanner, a quelle basate su

immagini mosaicate determina grossi incrementi della risoluzione spaziale dei rilievi effettuati.


In base a ciò, anche i piani di volo si modificano radicalmente, così come facilmente si può intuire dalla

successiva figura.

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SENSORI RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA: …users.unimi.it/lzzmsm/TIE testi sensori radiazione elettromagnetica.… · (b) Imaging plant function and structure is more than just ‘taking