Elemente introductive de analiza a imaginilor

Analiza imaginilor reprezinta un ansamblu de metode, tehnici de lucru, tehnologii, procedee si principii care au ca scop valorificarea in primul rand cartografica a informatiilor prezente in cadrul imaginilor de teledetectie.

Prin analiza imaginilor, datele de teledetectie pot fi exploatate in directia pregatirilor pentru cele mai diferite aplicatii din domeniul GIS (exemplu: actualizarea limetelor intravilanului unui oras prin interpretarea unui ortofotoplan digital; determinarea prin modelare matematica a signaturii spectrale a productivitatii biologice ale unor arborete).

Analiza imaginilor presupune 2 directii, care de obicei sunt parcurse mai mult sau mai putin in continuitate, respectiv fiind vorba de analiza calitativa a imaginilor si analiza cantitativa a imaginilor.

1. Analiza calitativa (aerofotointerpretarea) se bazeaza pe interpretarea imaginilor sau pe analiza vizuala a acestora, atat in format analogic, cat si in format digital.

- produce harti generala si tematice, diagrame, grafice, rapoarte, analize, articole, monografii

2. Analiza cantitativa se circumscrie unor tehnici numite generic procesarea digitala a imaginilor sau analiza digitala a imaginilor.

- produce modele de imagini, modele digitale privind diferite fenomene, informatii geospatiale, vecotori, raster, date statistice si geostatistice, diagrame si grafice, rapoarte, articole, monografii si harti tematice

Exemplu 24 (manual ESA): realizarea unei harti satelitare prin imbunatirea unei imagini satelitare la nivel de contrast si asocierea cu o proiectie cartografica bine precizata (1a – 1d).

1

Interpretarea imaginilor este partea calitativa a analizei acestora absolut necesara deoarece analistul va trebui sa identifice pe de-o parte acoperirea spatiala a acesteia si pe de alta parte, acesta va trebui sa identifice obiectele cautate si sa procedeze la analiza acestora.

Interpretarea imaginilor presupune obtinerea unor date preliminarii privind obiectele cautate, pregatind astfel imaginea pentru eventualele procesari in etapa cantitativa. Interpretarea presupune 4 etape distincte:

- detectarea obiectelor (sa identificam in imagine pozitia obiectelor)- recunoasterea obiectelor (obiectele sunt localizate cu siguranta in imaginea

analizata)- identificarea obiectelor (impune sesizarea unor trasaturi majore ale obiectelor)- descrierea obiectelor

Analiza digitala a imaginilor

Analiza digitala a imaginilor, sau procesarea digitala a imaginilor reprezinta totalitatea operatiunilor efectuate in mediul digital cu date de teledetectie din structura imaginilor ce au ca scop obtinerea de modele noi de imagini din care pot fi generate noi seturi de date utilizabile in cele mai diverse aplicatii GIS. Aceste noi seturi de date sunt de tip raster, dar si de tip vector, formatele acestora fiind de multe ori specifice softurilor specializate, insa de cele mai multe ori, ele pot fi convertite in formate uzuale (ENVI – “.hdr”).

In aplicatiile de procesare/analiza a datelor digitale, datele de intrare sunt constituite din imaginea de teledetectie satelitara sau aeriana cu un singur canal spectral sau mai multe canale spectrale. Datele de iesire pot fi multiple:

- modele noi de imagine

- modele de date derivate din imagine (ex: indici de vegetatie, modele digitale de teren, modele ai unor parametrii climatici si hidrici etc)

- diferite date, vector sau raster, insotite sau nu de tabele de atribute in formate compatibile cu cele mai multe instrumente de analiza GIS (ex: vectori cu parcele de padure

Analiza digitala presupune:

2

1. Reprocesarea imaginilor – presupune pregatirea imaginilor intr-un anumit format prin diminuarea unor defecte cu surse multiple, reconditionarea signaturilor spectrale si calibrarea datelor.

Calibrarea datelor de teledetectie reprezinta procesul prin care acestea se identifica de o maniera performanta cu semnificatia reala a acestora. Din punct de vedere tehnic, se impune pe de-o parte calibrarea geometrica si pe de alta parte calibrarea radiometrica (aducerea signaturilor spectrale la nivelul real al acestora, reprezentand spectrul pur al obiectelor corespunzatoare).

2. Perfectionarea (imbunatatirea) imaginilor - cresterea performantelor imaginii in raport cu cea initiala, pe de-o parte la nivelul elementelor de mediu identificabile si pe de alta parte, la nivelul caracteristicilor acestora ce pot fi modelate (ex: fuzionarea de imagini de la senzori diferiti, pe aceleasi acoperiri spatiale in vederea imbunatatirii atat a rezolutiei spatiale, cat si a rezolutiei spectrale).

3. Postprocesarea iamginilor - etapa in care se folosesc modelele imbunatatite anterior ale imaginilor, in scopul extragerii automate sau semiautomate ale informatiilor geo-spatiale dorite sub forma de date raster sau vector (ex: calcularea unor indici de vegetatie, care pot arata atat starea vegetatiei si tipologia acesteia, cat mai ales productivitatea biologica – clasificarile tematice).

4. Modelarea parametrilor de mediu – exista modele adecvate doar anumitor tipuri de date.

Aspecte isorice

Din punct de vedere istoric, analiza imaginilor s-a conturat cel putin teoretic ca metoda de cercetare la inceputul sec XX, odata cu aparitia primelor imagini aeriene.

1913 – s-a realizat prima ridicare foto aeriana a unui teritoriu, respectiv prima harta in Libia, Benghazi (de Tardivo).

In perioada interbelica, s-au afirmat tot mai mult aplicatiile civile ale interpretarii imaginilor, destinate pe de-o parte stiintelor si pe de alta parte constructiilor.

1926 – in Romania, existau preocupari de exploatare fotogrammetrica a imaginilor si de interpretarea a acestora.

1956 – in SUA s-au realizat primele fotogramme color, pentru culturile agricole.

Primele imagini extraatmosferice cu posibilitati de interpretare, dateaza din SUA, de la inceputul anilor 60. Misiunea Mercury 4 a obtinut imagini utilizate in scopul geologiei terestre. In 1969, misiunea Apollo 9 obtine primele imagini multispectrale pe film.

3

1972 – misiunea Landsat

Etapele analizei imaginilor

Acestea presupun totalitatea activitatilor care au ca scop formularea ipotezelor de analiza, alegerea imaginilor, procesarea acestora in vederea producerii de informatii geo-spatiale ce pot fi integrate in diferite modele sau produsi mi mult sau mai putini comerciali.

Analiza imaginilor este utilizata in doua directii:

- Directia cercetarii stiintifice - analiza unei fenomenologii cu anumite semnificatii la nivelul dinamicii geosistemului ce rezulta din caracteristicile spatio-temporale ce apar in structura imaginilor (ex: analiza incalzirii apelor intr-un bazin marin, pe un interval de 2, 3 decenii; analiza defrisarilor)

- Directia aplicativa - se bazeaza pe rezultatele unor cercetari devenite treptat inovatii, respectiv produse si aplicatii ce pot fi folosite in rezolvarea unor probleme de importanta economica si sociala (ex: organizarea spatiului urban in sensul optimizarii traficului si folosirii echilibrate a terenului; managementul unor situatii de criza – inundatii)

Etapele majore ale analizei imaginilor:

1. Documentarea – alegerea imaginilor – construirea acoperirii spatiale

2. Reprocesarea si imbunatatirea imaginilor(analiza propriu-zisa)

3. Extragerea informatiei geo-spatiale

Documentarea cartografica este necesara din doua puncete de vedere:

- Se delimitieaza cu precizie regiunea ce urmeaza a fi analizata in imagini in functie de elementelede mediu sau fenomenele urmarite (ex: studiul avalanselor din M-tii

4

Retezat – se poate realiza pe o suprafata mai limitata, la arealul unde acestea apar; studiul evolutiei teritoriale a Municipiului Bucuresti - in functie de etapa, se va alege acea acoperire spatiala caracteristice)

- Delimitarea teritoriului pe baza caruia se va construi acoperirea spatio-temporala cu imagini de teledetctie. Cautarea imaginilor din bazale de date trebuie sa porneasca de la o documentare cartografica consistenta, mai ales acolo unde, din documentarea bibliografica nu au rezultat informatii complete.

Materialele folosite in documentarea cartografica sunt de obicei urmatoarele: harti topografice in format analogic sau digital a caror scara trebuie sa se apropie cat mai mult atat de scara spatiala a analizei, cat mai ales de scara spatiala a imaginilor (ex: pentru dinamica recenta a zonei periurbane a Bucurestilor se pot utiliza imagini satelitare Landsat la rezolutie de 30 m si scara aproximativa 1:35 000; in acest caz se pot utiliza harti topografice !:25 000, insa insuficienta informatiilor din imagini si din harti necesita alegerea de ortofotoplanuri multitemporale, care pot fi utilizate impreuna cu alte harti cadastrale si topografice, la scari de 1:5000, identice cu ortofotoplanurile sau 1:2000, similare cu unele ortofotoplanuri)

- Harti cadastrale, de regula utilizate in aplicatiile de cadastru, dar si in cele de analiza a utilizarii terenurilor, mai ales in interiorul localitatilor. Ele se pot coinregistra cu ortofotoplanurile, sau cu date vectoriale extrase din ortofotoplanuri.

- Harti geologice sunt harti tematice la scari identice cu unele harti topografice (1:200 000, 1: 50 000) . aceste materiale sunt utile in definitivarea odelelor morfostructurale 2D si 3D, ce servesc in analiza reliefului, dar sunt folosite cu succes si in paleogeografie.

- Harti hidro-geologice in aplicatiile ce vizeaza hidrografia.

- Harti paleogeografice - mediile depozitionale in diferite etape ale scarii geo-cronologice

- Harti istorice – ele pot fi diferentiate in harti la scari medii si mari, harti la scari mici si harti care nu au scara cunoscuta si chiar un sistem de proiectie bine precizat. In romania, cele mai utile harti sunt cele din ultimul secol. Aceste harti istorice pot suplini lipsa de informatii din imagini de teledectie in perioade in care nu existau fotografii aeriene verticale sau aceste imagini nu pot fi identificate in arhive.

- Harti geo-botanice

5

- Harti ale padurilor

- Harti ale substantelor minerale utile

Utilizarea acestor matriale presupune o selectie in functie de tematica dorita, realizata prin extragerea unor straturi informationale in GIS (ex: preluarea liniilor tectonice principale si suprapunerea lor ca vectori peste o imagine de teledetectie).

Alegerea imaginilor si construirea acoperirii spatiale

Alegerea imaginilor are un rol esential in pregatirea analizei imaginilor si adaptarea la metodologia de analiza. In principal, in aceasta etapa se pun 2 probleme majore:

- Ce senzori au produs informatii geo-spatiale ce se pot raporta la regiunea de interes (senzori cu imagini la nivel global – Landsat si senzori cu imagini localizate in functie de optiunile utilizatorilor – SPOT 5 si 6)

- Raportarea caracteristicilor imaginilor senzorilor identificati la acoperirea spatio-temporala stabilita in etapa de documentare (ex: un fenomen pote sa apara in bibliografie inainte de lansarea unui anumit senzor

Dicitionar pagina 22

Earth observation – directie de cercetare si inovare care se bazeaza pe folosirea integrata intr-o formula complexa, avansata, a imaginilor in teledectie, in scopul analizei, modelarii, reprezentarii si predictiei diferitelor fenomene ce au loc la suprafata terestra. Observarea pamantului = analiza avansata a imaginilor, bazata pe imagini multi-sursa. (ex de aplicatii: analiza desertificarii in regiunea Mediteraneana, analiza efectelor unui cutremur, analiza defrisarilor din zonele montane, analiza riscului la inundatii in lungul marilor fluvii, analiza poluarii cu pesticide a unor zone litorale, analiza efectelor El Ninho, analiza riscului alunecarilor de teren, analiza incendiilor forestiere).

Senzorii de teledectie prezinta anumite particularitati ale imaginilor legate atat de rezolutia spatiala spectrala si temporala, cat si de modul de observare al Pamantului (modul in care inregistreaza imaginile). In practica, exista 5 tipuri de senzori de teledetctie dupa modul de preluare al imaginilor.

6

De aici rezulta particularitatile geometrice ale acestora care impun la randul lor disponibilitatea unor produse de mare utilitate practica.

1. Senzorii la bordul satelitilor geo-stationari2. Senzori la bordul satelitilor cu orbita in plan polar3. Senzori care obtin imagini verticale sau nadirale4. Senzori care obtin imagini verticale simultan cu imagini oblice 5. Senzori care obtin imagini consecutive, verticale si oblice. 6. Senzori radar cu scanare laterala

Imaginile de pe orbitele heliosincrone cu acoperire globala (ex: Landsat) sunt de obicei imagini verticale care in mod normal nu se pot exploata fotogrammetric.

Imagini de pe orbite heliosincrone in plan polar obtinute in sistem combinat, verticale si oblice. Imaginile pot fi obtinute din acelasi punct de statie atat in sistem vertical, cat si oblic, la stanga sau la dreapta in raport cu proiectia orbitei satelitare pe suprafata terestra (ex; SPOT). In acest sistem se pot realiza si suprapuneri laterale ce ating si 60%, ceea ce permite si o exploatare fotogrammetrica. Imaginile au aplicatii cartografice, mai ales pentru harti topografice.

Imagini de pe orbite heliosincrone cu acoperiri verticale si oblice obtinute in sistem variabil prin vizarea in lungul orbitei, din puncte de statie consecutive. Spre deosebire de tipul anterior, sistemul optic al senzorului poate viza atat vertical, dar si oblic la schimbarea pozitiei punctului de statie (vertical, dar si inainte si inapoi).

Imagini obtinute cu radarul lateral in sistem oblic si mai putin vertical utilizabile in aplicatii de interferometrie cu obtinere de modele digitale de elevatie la intervale egale de timp.

Orbitele satelitare nu mai sunt o constrangere in ceea ce priveste sincronizarea cu miscarea Pamantului si mai ales cu iluminarea solara. Scanarea cu microunde se realizeaza lateral pe un camp foarte larg unde se obtin signaturi radar mai stralucitoare cand semnalul reflectat este puternic (obiecte netede sau versanti expusi microundelor), si semnale slabe pe terenuri complexe sau suprafete ascunse sau umbrite in spatele unor obstacole. Imaginea radar este de obicei oblica care necesita calibrari geometrice pentru a deveni imagine verticala utilizabila in analiza.

Fig 9 pag 22 Figura coreleaza spectrul electromagnetic, curbele de reflectanta ale unor elemente de mediu, ferestrele atmosferice si domeniul spectral in care o serie de senzori inregistreaza imagini. De regula, senzorii optici acopera vizibilul (+/- albastru) si IR apropiat. Senzorii termici folosesc ferestrele atmosferice ale IR termal.

Preprocesarea imaginilor

7

Calibrarea imaginilor de teledetecitie

Pregatirea imaginilor pentru analiza din punct de vedere spectral si radiometric. Una din problemele procesarii este calibrarea.

Calibrarea imaginilor reprezinta totalitatea operatiilor prin care imaginile de teledetectie sunt convertite dintr-un simplu set de date sau fisiere imagine intr-un model corect si cat mai precis al suprafetei de teren care apar in continutul acesteia.

Prin calibrare, valorile numerelor digitale determinate de volumul de informatie stocat sunt transformate in valori fizice ce vizeaza radiatia electromagnetica reflectata de obiecte in functie de comportamentul lor spectral si pozitia spatio-temporala corespunzatoare la momentul obtinerii imaginii. Transformam valorile digitale in date fizice cu raportare spatiala (legarea imaginii de teren).

Calibrarea imaginilor satelitare presupune mai multe etape in care datele spectrale sunt regrupate intr-un model in care influentele senzorului atmosferei si ale terenului sunt delimitate rezultand astfel o imagine curata din punctul de vedere al datelor caracteristice obtinute prin teledetectie. Imaginea bruta obtinuta de la senzor nu este o imagine calibrata.

Calibrarea imaginilor presupune in cazul imaginilor obtinute prin senzor optic 3 etape majore:

1. Calibrarea senzorului – adaptarea caracteristicilor senzorului la momentul obtinerii imaginii prin transformarea valorilor numarului digital in valori fizice reprezentate prin radianta la senzor. Se utilizeaza parametrii interceptiei si raspunsului spectral care sunt precizati in primul rand in fisierul de metadate al imaginii (gain si offset).

2. Corectia atmosferica a imaginii – presupune segregarea efectelor atmosferei asupra datelor spectrale ale imaginii astfel incat noul model de imagine sa prezinte informatii spectrale adecvate obiectelor din teren si afectate cat mai putin de fenomenele atmosferice. “Se sterge” efectul atmosferei asupra datelor. Rezultatul este o imagine in care radianta la senzor este inlocuita cu radianta la nivelul obiectelor de la suprafata terenului.

3. Corectia de iluminare solara si corectia topografica care au ca scop uniformizarea pe cat posibil a signaturilor spectrale avand aceeasi semnificatie in teren. Pe de-o parte, aceste corectii mai sunt denumite generic si corectii de normalizare a signaturii spectrale (unificare a nivelurlor de gri pentru un element precizat din teren). Noul model de imagine calibrat prezinta pixelii asociati cu valorile reflectantei spectrale la suprafata terenului. Pentru a fi utilizata in scopuri cartografice, imaginea necesita un tratament separat la nivelul altor corectii radiometrice si geometrice:

8

- Eliminarea unor defecte- Eliminarea zgomotului- Corectarea contrastului, care tine de continuarea normalizarii signaturii spectrale- Aplicarea de masti pentru nori

Imaginea initiala este un set de date raster pentru fiecare canal spectral la care pixelii prezinta numere digitale in functie de rezolutia radiometrica.

Valoare fizica in teledetectie inseamna o valoare numerica exprimata in unitati de masura ce caracterizeaza radiatia electromagnetica. De exemplu, unitati de radianta sau unitati de reflectanta.

In cazul imaginii necalibrate, histograma arata distributia pixelilor in functie de valorile numarului digital care reflecta la randul lui volumul de informatie la nivel de pixel. Exemplu: imaginea la care un pixel contine 8 biti – rezolutia radiometrica sau numarul de nivele de gri este egal cu 28.

In cazul imaginilor calibrate, signaturile spectrale sunt usor modificate in urma aplicarii corectiilor atmosferice si celor topografice, insa pixelii nu mai preinta valorile initiale deoarece numarul digital a fost inlocuit dupa caz cu reflectanta sau radianta spectrala.

Prin calibrare se incearca o mai buna evidentiere a signaturilor spectrale in analiza datelor, avantajul fiind posibilitatea de a descrie, de a analiza ami bine obiectele si fenomenele.

Prin calibrare, profilele spectrale realizate pe acelasi traseu prin setul de date initial si prin cel calibrat, nu mai sunt identice, indiferent de canalul spectral. Explicatia este legata de diminuarea efectelor senzorului atmosferei si topografiei asupra signaturilor spectrale. In acest fel, obiectele devin mai diversificate, pot fi mai usor deosebite vizual, dar mai ales pot fi izolate prin clasificari tematice.

Rezultatul unor clasificari tematice/de pixeli pe baza datelor calibrate este mai corect din punct de vedere stiintific si geografic.

Importanta calibrarii este si mai mare in conditiile in care se folosesc date multitemporale obtinute folosind acelasi senzor sau mai ales senzori diferiti.

Calibrarea radiometrica – schimba radiometria imaginii si prezinta 3 etape majore:

1) Calibrarea senzorului – necesara pentru a rezolva relatia dintre signaturile spectrale din imagine si caracteristicile spectrale ale senzorului din momentul preluarii imaginilor.

9

Exemplu: un senzor a a fost lansat in ’84; in anul 2003, acelasi senzor a fost reactivat; in 2013, acelasi senzor inca mai producea imagini. Uzura senzorului in timp se manifesta prin scaderea sau cresterea calitatii imaginilor spectrale in diferite canale. In acest caz, senzorul impune o calibrare folosind parametrii speciali (interceptie si raspuns) care odata aplicati imaginii permit calcularea valorilor de radianta spectrala primita la senzor.

2) Corectia atmosferica – diminuarea pe cat posibil a efectelor atmosferice asupra signaturilor spectrale si stabilirea “legaturii” dintre imagine si suprafata terenului. Prin aplicarea parametrilor unui model atmosferic pentru anumita regiune se pot produce pentru imaginea data (calibrata la senzor) valorile radiantei la suprafata terenului.

3) Corectia de iluminare solara si topografica – presupune transformarea valorilor de radianta la suprafata terenului obtinute prin corectia atmosferica in valori de reflectanta la suprafata terenului. Corectia determina de fapt o normalizare sau o uniformizare a signaturilor spectrale la nivelul aceluiasi element de mediu, deoarece folosind parametrii iluminarii solare (azimut si elevatie solara), precum si datele derivate din modelul digital al terenului (umbrirea in momentul obtinerii imaginii) se poate produce un model de imagine uniform la nivelul signaturilor spectrale.

Efectele atmosferei asupra datelor

Radiatia solara incidenta ajunge doar teoretic la suprafata terenului pe o linie dreapta, deoarece ea interactioneaza cu diferitele elemente ale atmosferei (prin refractie atmosferica si in alte moduri).

Elementul imagine (pixelul) cuprinde in functie de rezolutie mai mult sau mai putine obiecte care determina parametrii radiatiei reflectate. Radiatia reflectata de elementele din cadrul pixelului nu ajunge integral la senzor, poate fi refractata sau absorbita.

Pe langa aceasta, obiectele din pixelii invecinati, la fel de eterogeni ca pixelul la care ne raportam determina reflexia radiatiei, difuzia acesteia si nu numai. Aceasta afecteaza raspunsul spectral la nivel de pixel, astfel incat radiatia reflectata in directia senzorului inregistrreaza numeroase abateri de la regula fizica (nu este o radiatie pura).

Prin corectie atmosferica se obtine o noua imagine in care valorile spectrale ale pixelilor sunt usor modificate in conditiile in care s-a diminuat efectul atmosferei asupra datelor.

Calibrarea geometrica a imaginii – transformarea imaginii initale intr-un model de imagine cu o geometrie cunoscuta astfel incat sa poate fi coinregistrata cu o harta topografica sau tematica si deschisa catre aplicatiile GIS. Aceasta presupune cunoasterea proiectiei initiale si mai ales transformarea acesteia intr-o proiectie ortografica la care scara obiectelor sa fie unica si efectul

10

de perspectiva (deplasarea radiala) sa fie diminuat. De asemenea, noul model de imagine se poate asocia cu o proiectie cartografica bine definita.

Aceasta calibrare se realizeaza prin procesarea produsului de teledetectie.

Perfectionarea imaginilor presupune pregatirea acestora prin diferite operatii in vederea extragerii de informatii utila aplicatiilor GIS fie in format vector, fie raster.

Obiectivele acestei etape sunt in principal:

- corectarea contrastului imaginilor prin redistribuirea statistica a valorilor spectrale ale pixelilor

- diminuarea efectelor zgomotului in special in cazul imaginilor radar

- aplicarea unor filtre sau matrici pentru imbunatatirea unor signaturi spectrale la nivel de forme sau contururi ale obiectelor, dar si in vederea diminuarii efectelor unor elemente care introduc dificultati in analiza imaginilor

- decorelarea datelor atunci cand signaturile spectrale sunt foarte apropiate desi reprezinta elemente diferite ale mediului geografic

- construirea de mozaicuri in vederea extinderii acoperirii spatiale a imaginilor

- aplicarea unor transformari cromatice la nivelul signaturilor spectrale in functie de diferite sisteme de conversie a nuantelor de culori

- fuzionarea unor date cu rezolutii diferite in scopul obtinerii unor imagini la rezolutii mai mari utile clasificarilor tematice

Mozaicarea imaginilor

Mozaicarea imaginilor – este frecvent realizata in analiza inca din etapa de construire a acoperirii spatiale dorite. Scopul este producerea unei noi imagini cu extindere spatiala mai larga la care

11

signaturile spectrale trebuie sa fie cat mai apropiate, indiferent de apartanenta pixelilor la o scena sau alta.

Mozaicurile digitale de imagini implica doua/trei aspecte:

- Imaginile sa fie obtinute la aceeasi data sau la date apropiate ori in acelasi anotimp. In aceste conditii, normalizarea signaturilor spectrale (aducerea signaturilor la acelasi nivel) se poate realiza mut mai usor, fie ca este cazul culorilor naturale, fie ca este cazul compozitiilor fals-color.

- Imaginile sa prezinte aceleasi caracteristici geometrice (aceeasi proiectie, inclusiv acestea trebuie sa fie ortocorectate, deoarece mozaicul impune o scara unitara pe toata suprafata si chiar si o deplasare radiala limitata). In cazul in care prima conditie nu poate fi realizata devine necesara efectuara unor corectii de contrast prin potrivirea histogramelor imaginilor invecinate.

Ex: Mozaicul radar Sentinel 1 pentru Romania

- Este color deoarece imaginile radar asamblate au fost generate in combinatie RGB folosind trei imagini alb-negru (2 canale reprezinta canale spectrale ale imaginii radar, un canal cu polarizare verticala HV si unul cu polarizare orizontala HH si un al treilea canal, simulat sub forma mediei artimetice a pixelilor din cele 2 canale spectrale).

- Acest mozaic a impus si corectii geometrice importante, respectiv aducerea imaginilor la aceeasi proiectie si ortocorectie, folosind modele digitale de teren EUDEM. S-a realizat si o normalizare spectrala a imaginii pe aproape toata suprafata, deoarece elementele care acopera terenul trebuie sa se prezinte pe cat posibil in aceeasi nuanta de culoare.

Corectarea contrastului se realizeaza in aproape toate cazurile indiferent de tipurile de imagine, deoarece distributia statistica initiala a valorilor spectrale nu respecta cerintele analizei imaginilor. Corectia se realizeaza fie prin aplicarea unor functii matematice, lineare sau nelineare, fie prin specificarea unor praguri de signatura spectrala pentru intreaga imagine sau pentru portiuni din imagine.

Corectiile de contrast se realizeaza la nivel de banda spectrala in sensul saturarii sau desaturarii contrastului prin adaugarea de pixeli sau diminuarea numarului de pixeli pentru anumite valori spectrale. Grafic, acestea se raporteaza la histograma imaginii H.

Filtrarea imaginilor – presupune aplicarea unor matrici cu valoare statistica si dimensionala (filtre morfologice) sau cu realizare de operatii matematice la nivelul signaturilor spectrale (filtre

12

de convolutie). Constituie evidentierea unor signaturi spectrale ca forma sau contur sau diminuare efectului acestora asupra imaginii.

Filtre de convolutie (operatori) – matricea mobila care se deplaseaza pe liniile si coloanele imaginii permite recalcularea valorilor spectrale asociate pixelilor, respectiv obtinerea unei imagini noi imbunatatita la nivelul signaturilor spectrale.

Decorelarea datelor – presupune fie aplicare unor corectii de contrast speciale, dar mai ales transformarea imaginii multispectrale intr-un set nou de date numit si componentele principale ale imaginii. Scopul este o mai buna diferentiere a signaturilor spectrale si este utila in special seturilor de date care contin si benzi spectrale din vizibil.

Post-procesarea imaginilor de teledetectie. Extragerea informatiilor din imagini

Post-procesarea cuprinde etapele care pregatesc imaginea, respectiv informatiile din structura imaginii pentru utilizarea lor in aplicatiile GIS.

13

Acasta prezinta mai multe obiective:

- Extragerea informatiei din imagine prin metode manuale, semiautomate sau automate.

- Dezvoltarea unor modele derivate din imagini cum ar fi de pilda extragerea unor elemente fizice ale spatiului geografic (ex: temperatura) sau determinarea unor indici de vegetatie (pe baza imaginilor multispectrale).

- Analiza imaginilor multitemporale – analiza detectiei schimbarilor, care foloseste de fapt datele produse din etapele anterioare.

- Dezvoltarea unor modele avansate de date care integreaza in GIS informatii din imagini, dar si din alte surse (realizarea hartilor de riscuri naturale).

Extragerea informatiei din structura imaginilor de teledetectie

Se poate realiza in functie de specificul aplicatiilor, tipul de imagini si gradul de pregatire al analistului prin 3 modalitati:

- interpretare vizuala si producere de date in format vectorial- prin clasificari tematice (clasificari de pixeli) care diferentiaza in cadrul unui strat

raster pixelii cu diverse signaturi spectrale, respectiv cu diferite semnificatii in teren- clasificari orientate – obiect, care sunt clasificari de pixeli care au la baza mai intai

definirea unor caracteristici ale obiectelor, precum si separarea imaginii in obiecte ce raspund acestor caracteristici.

Clasificarile de acest tip nu se limiteaza doar la folosirea informatiilor din structura imaginilor, astfel incat pot fi adaugate si alte informatii care pot sprijini definirea si diferentierea obiectelor.

Interpretarea vizuala si producerea de date in format vectorial este cea mai simpla modalitate de a produce date digitale folosind imaginea de teledetectie cu un anumit nivel de procesare pe care analistul o exploreaza folosind procedeele si criteriile de interpretare, directe sau indirecte.

Ex: pag 210 Atlas – realizarea hartilor tematice ale structurilor urbane, respectiv evolutiei teritoriale ale unui oras. Producerea datelor vectoriale are la baza folosirea unor criterii de inerpretare intr-o formula combinata si corelata, precum forma acoperisurilor unor case, culoarea materialelorde constructie sau structura cartierelor, prezenta vegetatiei, sau raportarea spatiului construit la elemente naturale, sau textura unor zone construite.

Pe masura ce fenomenele analizate acopera suprafete mai mari, se impune adaptarea la rezolutia imaginilor, astfel incat imaginile la 30 m rezolutie devin utile in interpretarea si reprezentarea diferitelor clase de acoperire a terenurilor.

14

Interpretarea vizuala produce acoperiri vectoriale de tip poligon, linie sau punct, insa acestea se impun a fi controlate la nivel topologic, deoarece folosirea lor in alte aplicatii GIS impune o anumita acuratete si chiar o anumita precizie.

Clasificarile de pixeli sau tematice reprezinta tehnici care utilizeaza algoritmi matematici si praguri statistice predefinite in scopul producerii de informatii sub forma de strate raster care vizeaza acoperirea terenului sau anumite clase omogene ale acesteia.

Clasificarle tematice prezinta din punct de vedere semantic 2 directii de abordare. Acestea sunt legate de cunoasterea sau necunoasterea semnificatiei signaturilor spectale in raport cu acoperirea terenului.

Rezultatul acestor clasificari sunt straturi raster.

a) Clasificarea nesupervizata (nedirijata) – gruparea pixelilor in clustere relativ omogene folosind doar criteriul statistic, respectiv diferetele de nr digital existente intre pixeli. In acest caz nu se cunoaste semnificatia in teren a signaturilor spectrale, se cunosc doar anumite praguri la nivel de valori numerice,precum si numarul probabil de clustere ce ar putea fi grupate la nivelul aceasi clase. Dupa gruparea datelor in clase, analistul poate acorda semnificatia din teren a acestora.

b) Clasificarea supervizata (dirijata) – spre deosebire de ti[pul anterior, foloseste in mare masura cunoasterea semnificatiei signaturilor spectrale in teren. Folosind o serie de esantioane sau poligonae test interpretate in imagine si calculand apoi pragurile de diferentiere dintre signaturile spectrale, pixelii imaginii pot fi grupati in clase cu diferite semnificatii. Clasificarea supervizata se bazeaza pe cunostiinte geografice complexe si impun frecvent documentarea analistului si o anumita experienta in interpretarea vizuala a imaginilor.

Clasificarile de pixeli utilizeaza integral datele imaginilor multispectrale, chiar daca zonele de interes au fost generate folosind doar o singura combinatie RGB. Rezultatul clasificarilor trebuie evaluat folosind seturi de date independente in raport de care se genereaza matricile de erori ce exprima procentual cat de corect au fost clasificati pixelii pe clase.

Elemente de interpretare tematica

Interpretarea reliefului

In analiza reliefului pe imagini, principalul indiciu de interpretare il reprezinta specificul

retelei de drenaj, respectiv configuratia acesteia. Reteaua de drenaj exprima configuratia

15

sistemului de scurgere al apei in regim permanent sau temporar, natural sau antropic de la nivelul

suprafetei topografice.

In analiza imaginilor pot fi deosebite 2 situatii:

- cazul retei de drenaj in configuratie naturala in care talvegurile se remarca prin densitate

neuniforma, respectiv trasee neregulate (zona montana)

- cel de-al doilea caz caracterizeaza retelele de drenaj influentate antropic prin canalizari,

indreptari, captari, derivatii etc. la care se observa suprapunerea unor configuratii geometrice

peste configuratiile negeometrice initiale (zona de campie litorala)

In analiza imaginilor configuratiile retelei de drenaj ofera, insa, informatii interesante

privind tipurile genetice de relief, gradul de evolutie al acestora, morfodinamica actuala si

prezenta, acolo unde este cazul, a influentelor antropice.

In literatura sunt recunoscute 8 tipuri majore de retele de drenaj care se pot adapta

diferitelor imagini satelitare sau aeriene exprimand intr-o prima etapa tipologia reliefului si

evolutia acestuia:

- drenajul dendritic (reteaua este organizata pe bazine dezvoltate similar ramurilor unor arbori) -

arata o torentialitate intensa in conditiile unor influente structurale mai slabe si a unor roci relativ

omogene si relativ impermeabile (zonele de munte si de deal)

- drenajul paralel (talvegurile sunt paralele si au aceeasi directie fapt datorat unor influente

structurale si litologice evidente pe o anumita directie, de exemplu falii paralele, alternanta de

roci permeabile cu roci impermeabile in structuri paralele). Formatiunile impermeabile

corespund talvegurilor, iar cele permeabile corespund intervluviilor.

- drenaj de tip gratar (treilis) - este o combinatie intre drenajul rectangular si cel dendritic si

caracterizeaza zonele faliate cu horsturi si grabene in care exista o alternanta de formatiuni cu

permeabilitati diferite

- drenajul rectangular - este cel mai caracteristic in regiunile cu blocuri faliate, horsturi

si grabene, in care rocile sunt relativ omogene. Talvegurile sunt suprapuse faliilor

principale si secundare.

!!! Cele mai complexe retele de drenaj corespund regiunilor cu o evolutie indelungata a

reliefului (regiuni montane, chiar si de deal sau podis). Din aceasta evolutie au fost scoase la zi

treptat litologii si structuri diferite care au impus diferite tipuri de drenaj ce au fost mostenite in

16

etapele ulterioare. Cu alte cuvinte, tipurile elementare de drenaj, exista teoretic acolo unde

structura si litologia sunt omogene si evolutia reliefului este limitata la mai putine etape.

- drenajul radial - corespunde conurilor vulcanice mai noi sau mai vechi unde, pe

fatelele aparatului vulcanic s-au adancit vai divergente numite si barrancos. Pe masura ce

relieful vulcanic este mai nou sau este legat de vulcanii activi, aceasta configuratie este mai bine

pastrata. Cu cat vulcanul respectiv s-a stins mai demult cu atat reteaua respectiva duce catre alte

tipuri.

- drenajul inelar - este legat, de obicei, de structurile cutate de tip dom sau

brahiianticlinal. Configuratia retelei de drenaj este legata de patrunderea regresiva a

torentilor care si-au adaptat sistemul de drenaj configuratiei circulare a structurii

geologice si litologiilor diferite intalnite in procesul adancirii.

- drenajul multibazinal - corespunde regiunilor endoreice (in deserturi si semideserturi)

unde reteaua este organizata catre centrul unor arii depresionare, izolate in raport cu

reteaua majora de drenaj.

Un caz particular este drenajul zonelor carstice unde imaginile arata o densitate mica a

talvegurilor la suprafata care converg catre avene si pesteri.

- drenajul complex - este cel mai raspandit si grupeaza mai multe tipuri elementare de

drenaj din cele prezentate anterior; el rezulta, de fapt, din succesiunea unor etape

indelungate de morfogeneza prin procese de epigeneza (scoaterea la zi a unor roci initial

acoperite), prin nivelari succesive cu formare de peneplene, prin captari fluviatile pe

fondul aparitiei diferitelor nivele de baza

Tipuri de imagini si date digitale folosite in analiza reliefului

Alegerea imaginilor satelitare sau aeriene in aplicatiile geomorfologice presupune mai

intal documentarea complexa atat cartografica cat si bibliografica privind problemele reliefului

ce urmeaza a fi analizata.

17

- suprafata respectiv dimensiunile formelor de relief ce urmeaza a fi analizate, de exemplu pentru

mezorelief (munti, dealuri, campii) sunt necesare imagini la rezolutii medii si chiar mici, pentru

microrelief sunt utile imaginile de rezolutii mari si foarte mari

- diversitatea tipurilor de relief intalnite si gradul de evolutie al acestora; reliefurile mai putin

evoluate se pot analiza si la rezolutii mai mici. Reliefurile evoluate impun indicii ce implica

identificarea unor elemente de detaliu.

- in interpretarea reliefului imaginea satelitara sau aeriana nu este suficienta astfel incat se

apeleaza frecvent la DTM, harti topografice, insa, de o mare utilitate sunt imaginile obtinute cu

diferite tipuri de senzori

- dinamica temporala a formelor de relief - de foarte multe ori, in analiza, sunt folosite imagini

multitemporale. Imaginile se adapteaza si spatiului de manifestare al fenomenului

Dinamica diferitelor sisteme geomorfologice implica adecvarea seturilor de imagini din

punctul de vedere al rezolutiei spatiale si al rezolutiei temporale care trebuie raportate la

specificul spatio-temporal al fenomenului (dinamica unui ghetar, eruptia vulcanica, inundatia,

alunecari de teren)

Imagini si date utilizate

1) Imagini satelitare multispectrale la rezolutii medii (10-100m) - de obicei ele

permit obtinerea de combinatii fals color care asigura diferentierea mai usoara a

formelor de relief in raport cu vegetati si alte elemente de mediu (slide 5). In

18

deserturi, pe langa separarea vegetatiei naturale sau a celei din zonele cultivate fata de

formele de relief se pot delimita la nivelul suprafetei topografice si diferite depozite

superficiale respectiv tipuri de roci.

2) Imaginile multispectrale la rezolutii mari si foarte mari (>1m) - permit combinatii

in culori naturale dar si o combinatie color IR. Ex: analiza ghetarilor

- semnalarea ghetii in raport cu roca

- morenele apar in culori inchise

3) Modele digitale obtinute prin tehnica LIDAR (scanare cu laser) - aceste modele

sunt necesare analizelor de detaliu privind caracteristicile reliefului in special la nivel de

microforme. Obtinute in formula multitemporala, aceste date sunt de mare utilitate in

masurarea parametrilor morfodinamici si evaluarea evolutiei reliefului. De exemplu:

masurarea dinamicii unei albii, masurarea ratei de adancire a unor ravene sau torenti.

Pe baza datelor LIDAR se realizeaza si analize geomorfometrice de mare precizie dar se

pot realiza si clasificari tematice orientate obiect pe tipuri de forme de relief.

4) Imagini RADAR - obtinute in diferite moduri de polarizare, sunt imagini alb-negru

care scot mai bine in evidenta asimetriile structurale ca urmare a efectului de basculare pe

care il determina interactiunea reliefului cu fluxurile de microunde. Cu alte cuvinte,

suprafetele expuse catre microunde apar stralucitoare, iar cele adapostite apar inchise. Se

pot observa asimetrii ale reliefului, faliile si diferitele aliniamente structurale.

19