Consiglio Nazionale delle Ricerche
Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” - Firenze
www.ifac.cnr.it
CONTROLLO AMBIENTALE TRAMITE LIDAR A FLUORESCENZA
Linea di Ricerca: TELERILEVAMENTO LIDAR DEL MARE E DEL TERRITORIO
Giovanna Cecchi, Valentina Raimondi, David Lognoli, Iacopo Mochi
Principio di funzionamento
Specchio per la selezione
della sorgente
®
Modulo ottico
FLIDAR -3
VIS
LASER
LASE
VIS
R
UV LASER
Laser UV
Segnale retrodiffuso
BERSAGLIO
TELESCOPIO
Fascio laser
Ruota portafiltri
ALIMENTAZIONE HV
24 V DC
BATTERIE
SPECTROMETER
SPETTROMETRO
DETECTOR
RIVELATORE
OMA
INVERTER
He Ne Xe HCl
24 V DC
BATTERIA
OM
A
FIBRE OTTICHE
Modulo Elettronico
Gas Handling
Nella sua forma più schematica un LIDAR è costituito da una sorgente laser, un telescopio ed un sistema
per la rivelazione ed acquisizione del segnale retrodiffuso dal bersaglio. Il FLIDAR-3, progettato e
sviluppato presso l’IFAC-CNR, ha due sorgenti laser impulsate una nell’UV (XeCl@308 nm) ed una nel
visibile (Cumarina@480 nm). Il fascio laser è inviato sul bersaglio da un sistema di ottiche ed il segnale
retrodiffuso è raccolto da un telescopio newtoniano ed inviato, tramite un mazzo di fibre ottiche, alla
fenditura d’ingresso di uno spettrometro accoppiato ad un rivelatore ottico multicanale (OMA). Lo
spettro ottenuto nel visibile (300-800 nm) consente di ottenere informazioni sul materiale di cui è
composto il bersaglio tramite l’analisi del segnale dovuto a processi anelastici (fluorescenza, Raman).
Ciò che si può “vedere”:
Il controllo della vegetazione
F740/F690 PPFD
PPFD (umol m-2 s-1 x200)
A (umol CO2 m-2 s-1
Cichorium Intybus L.
0.8
1.500 A (fotosintesi netta)
Riflettanza
0.7
Fluorescenza
0.6
(l exc = 308 nm)
0.5
0.3
0.2
0.1
400
450
500
550
1,5
1,4
1.000
0.4
0
350
1,6
600
650
700
750
1,3
500
F740/F690
0.9
Ambiente marino
Temperatura di colonna d’acqua
Inquinamento da petrolio (identificazione e spessore)
Sostanze organiche sospese e/o disciolte
Fitoplancton e vegetazione acquatica
1,7
2.000
1
1,1
0
6
Lunghezza d’onda (nm)
8
1
12
10
Il FLIDAR su piattaforme aeree
Elicottero AB-212 - Base MARISTAELI, Catania
Territorio
Fotosintesi della vegetazione
Stati di stress nelle piante
1,2
4
Una richiesta comune a quasi tutti gli studi inerenti l’ambiente è quella di poter disporre di un
metodo di indagine non distruttivo, che dia informazioni, possibilmente in tempo reale, sullo stato di salute
dell’ambiente in cui viviamo. Per rispondere a questa domanda, l’IFAC-CNR ha sviluppato un sensore ad
alta risoluzione spettrale (FLIDAR®) che, attraverso la spettroscopia indotta da laser, fornisce in tempo
quasi reale dati per il controllo delle acque, della vegetazione e di monumenti lapidei e inoltre apre la
strada allo sviluppo di sensori dedicati, sia locali che di telerilevamento.
Questa ricerca riguarda lo sviluppo di nuovi sensori, coinvolgendo problemi di optoelettronica e di
spettroscopia, lo studio di sorgenti laser e delle caratteristiche ottiche di mezzi naturali. I risultati ottenuti
hanno dimostrato l’utilità dell’impiego in campo della spettroscopia ad alta risoluzione in situazioni
ambientali molto diverse dal punto di vista chimico, fisico e biologico.
La fluorescenza è infatti un processo fisico su scala molecolare e consente perciò di acquisire
informazioni sulla struttura materiale del campione esaminato; ciò si rivela utile nello studio delle sostanze
di interesse ambientale, costituite da molecole complesse e che si modificano in relazione all’ambiente
circostante. Un esempio è lo spettro di fluorescenza della vegetazione, che contiene informazioni sul
processo di fotosintesi e su stati di stress, che possono essere osservati anche a livello precoce.
E’ stato possibile rivelare a distanza la sostanza organica e l’inquinamento da oli in mare e misurare
parametri ottici inerenti la colonna d’acqua. Ciò ha permesso di evidenziare, tramite l’integrazione con dati
da satellite, la correlazione esistente tra la temperatura delle acque e la concentrazione di sostanza organica
in aree geografiche diverse, relative al mare Adriatico (Progetto PRISMA2) e al mare Mediterraneo
occidentale (Campagna oceanografica “Marine Fronts”, con CNR-ISAC, CNR-ISMAR, Università di
Firenze, NASA-GSFC). Attraverso l’analisi della fluorescenza, e per mezzo di un algoritmo appositamente
sviluppato, è stato inoltre possibile studiare la contaminazione da metalli pesanti nelle piante acquatiche.
Questo risultato apre nuove prospettive per il controllo dell’ambiente marino ed è stato ottenuto sia in
laboratorio che in campo, collaborando con il GSFC/NASA e ARS/USDA. Nell’ambito del controllo di
monumenti lapidei, sono state acquisite a distanza immagini di fluorescenza, la cui elaborazione ha
permesso di determinare la mappa dei biodeteriogeni e di differenziare le specie lapidee (con il Lund
Institute of Technology - Svezia, su finanziamento UE).
Ora del giorno
Monumenti lapidei
Biodeteriogeni
Trattamenti protettivi sulle superfici
 Identificazione dei litotipi
Lo spettro di fluorescenza della vegetazione mostra due
bande: una nel rosso (con due massimi a 680 e 740 nm)
dovuta alla clorofilla, ed una nel blu. L’analisi del loro
profilo spettrale è utile per riconoscere stati di stress e
per valutare la fotosintesi netta.
Aereo CASA-212 - Progetto CNR-LARA
Il controllo dell’ambiente marino
L’indagine sui monumenti
38N
4
10
20
20
30
30
0
0
40
-100
50
50
-200
60
60
-300
Pixel
Pixel
1
40
38
37
200
10
Ship route
2
36N
Biodeteriogeni
100
Intensity (a.u.)
DOM
Coastline
3
DOM-Chlorophyll
37N
Chl
36
35
35N
9W
8W
6W
7W
34
5W
9
10
8
7
6
5
4
10
20
30 40
Pixel
50
60
10
20
30 40
Pixel
50
60
* in collaborazione con ISAC-CNR
15000
10000
10
20
20
30
30
Trattamenti protettivi
8
40
5
50
50
4
60
60
70
70
3
2
1
10
Profondità (m)
Lunghezza d’onda (nm)
15
700
10
600
5
500
0
Spettri di fluorescenza indotta da laser su foglie di Posidonia sp.
Ratio
Pixel
Pixel
40
6
5000
0
800
9
7
Intensità (u.a.)
Immagine da satellite NOAA elaborata per la misura della
temperatura superficiale del mare e profili tematici ottenuti in tempo
reale con il FLIDAR per la clorofilla (Chl) e la sostanza organica
disciolta (DOM).
10
Un nuovo prototipo di lidar (FLIDAR-N)
con risoluzione sia spaziale che spettrale
installato a bordo della N/O Urania per
ottenere profili di colonna d’acqua.
20
30
40
Pixel
50
60
10
20
30
40
Pixel
50
60
70
Mappe tematiche relative alla presenza di biodeteriogeni e
di trattamenti protettivi ottenute sul Battistero e Duomo di
Parma con tecnica lidar a fluorescenza in collaborazione con
il Lund Institute of Technology. Per ottenere le mappe sono
state utilizzate tecniche di Pricipal Component Analysis.
Per informazioni: [email protected], [email protected]