curs teledetectie 2011-2012 v1

USAMV-FIFIM-CADASTRU

TELEDETECTIE NOTE DE CURS

Conf.dr.ing. Alexandru BADEA

________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

1


CUVNT NAINTE

Textul i ilustra iile acestui volum se adreseaz studen ilor Facult ii de mbunt iri Funciare i Ingineria Mediului din Bucureti, ntreg con inutul lucrrii, rod al acumulrii unei experien e practice ndelungate recunoscute n domeniu, fiind orientat ctre n elegerea mecanismelor i proceselor esen iale care asigur nsuirea unor no iuni de baz necesare pentru o utilizare corect a mijloacelor tehnice pe care le ofer teledetec ia. Pentru a putea practica teledetec ia nu este suficient s dispunem de un calculator echipat cu un program specializat de procesare de imagini pe care orice utilizator poate s nve e s l manipuleze cu ajutorul meniurilor din ce n ce mai sofisticate. Este nevoie, n primul rnd, de cunoaterea mediului natural care constituie obiectul investiga iei tiin ifice satelitare. Aa cum, nc din anul 1985, unul dintre pionierii teledetec iei aplicate, francezul P. Foin, enun a axioma conform creia nu este o ntmplare faptul c TELEDETEC IA i ECOLOGIA au aprut i s-au dezvoltat n paralel, lucrarea de fa ncerc s descrie n mod simplificat principiile de baz ale utilizrii imageriei satelitare. Aceste principii trebuie s fie considerate i acceptate pentru a putea utiliza n cunotin de cauz algoritmii specifici procesrii de imagini, etap a prelucrrii informa iei care are ca scop principal cartografierea tematic a suprafe ei terestre. Instrumentele de procesare permit identificarea unor trsturi ale obiectelor i fenomenelor pe care sim ul vzului nu le putea distinge prin mijloace analogice, ns, pn la utilizarea profesional a acestor instrumente informatice, este necesar educarea ochiului i a intelectului pentru a putea observa corect i util forma, culoarea i textura. De fapt, trebuie s nv m s citim o imagine n conformitate cu metodele complexe de procesare elaborate i verificate n timp. De la nregistrarea imaginii (n faza de observare) pn la interpretarea acesteia (n faza de prelucrare) se folosesc att deprinderi bazate pe ra ionalul argumentat tiin ific ct i pe abordri intuitive, acestea din urm uneori empirice, prin care creierul uman stabilete legturi ntre caracteristicile obiectelor/fenomenelor din natur i rolul sau efectele acestora asupra evolu iei societ ii umane. n mod inten ionat, n paginile ce urmeaz, nu se fac referiri detaliate la sateli ii i programele satelitare relativ recent aprute, dar se insist pe cunoaterea mai detaliat a programelor satelitare LANDSAT i SPOT care reprezint, fr dubii, axa temporal a dezvoltrii spectaculoase a tehnologiilor specifice teledetec iei. Autorul________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

2


CUPRINS1. TELEDETEC IA SURS DE DATE PENTRU CARTOGRAFIEREA TOPOGRAFIC I GEOGRAFIC6 1.1. GENERALIT I ....................................................................................................................................................... 6 2. SPECTRUL ELECTROMAGNETIC I ATMOSFERA........................................................................................ 9 2.1. SPECTRUL ELECTROMAGNETIC ............................................................................................................................... 9 2.2. CORPUL NEGRU, SOARELE, PMNTUL, SURSE DE RADIA IE ............................................................................... 12 2.3. FACTORI LIMITATIVI N TELEDETEC IE ................................................................................................................ 14 2.4. ATMOSFERA - MEDIU PERTURBATOR .................................................................................................................... 14 2.4.1. Absorb ia atmosferic ................................................................................................................................. 17 2.4.2. Difuzia atmosferic ..................................................................................................................................... 18 2.4.3. Emisia atmosferic...................................................................................................................................... 19 2.4.4. Refrac ia ...................................................................................................................................................... 19 2.4.5. Turbulen a atmosferei................................................................................................................................. 20 2.5. IONOSFERA, MEDIU PERTURBATOR ....................................................................................................................... 20 2.5.1. Refrac ia generat de ionosfer.................................................................................................................. 20 2.5.2. ncetinirea i atenuarea undei................................................................................................................... 21 2.5.3. Eroarea efectului Doppler i rota ia planului de polarizare...................................................................... 21 2.5.4. Scintila iile .................................................................................................................................................. 22 3. RADIA IA ELECTROMAGNETIC N INTERAC IUNE CU SUPRAFA A TERESTR........................ 22 3.1. COMPORTAMENTUL OBIECTELOR N INTERAC IUNE CU RADIA IA ELECTROMAGNETIC...................................... 22 3.2. DOMENII DE APLICARE A TELEDETEC IEI.............................................................................................................. 24 4. RAMURI ALE TELEDEC IEI GEOSPA IALE CU UTILIZARE TEMATIC ............................................ 25 4.1. FOTOGRAMMETRIA AERIAN................................................................................................................................ 26 4.2. TELEDETEC IA MULTISPECTRAL N VIZIBIL I INFRAROU.................................................................................. 30 4.4. TELEDETEC IA N MICROUNDE ............................................................................................................................. 31 4.4.1. Caracteristici tehnice ale instrumentelor radar ......................................................................................... 32 5. LAN UL DE ACHIZI IE, TRANSMISIE I PREPROCESARE A DATELOR DE TELEDETEC IE. SISTEMELE SATELITARE I INSTRUMENTELE LOR (CAPTORI, SENZORI) ........................................... 35 5.1. VECTORII PURTTORI ........................................................................................................................................... 36 5.2. ORBITELE SATELI ILOR ........................................................................................................................................ 36 5.2.1. Orbita aleas pentru sateli ii SPOT............................................................................................................ 41 5.2.2. Controlul orbitei cu ajutorul sistemului DORIS........................................................................................ 43 5.2.3. Sistemul local de referin orbital ............................................................................................................ 44 5.3. INSTRUMENTELE DE ACHIZI IE (CAPTORI, VECTORI, DETECTORI) ......................................................................... 46 5.4. MIJLOACELE DE TRANSMISIE LA SOL I DE PREPROCESARE A DATELOR BRUTE ..................................................... 47 5.4.1. Segmentul de comand de la sol................................................................................................................. 47 5.4.2. Instala iile de gestiune i supraveghere a satelitului ................................................................................. 47 5.4.3. Instala iile de exploatare a datelor primite de la satelit ............................................................................. 48 5.4.4. Formatul de distribu ie a datelor imagine.................................................................................................. 505.4.4.1. Formatul SISA ........................................................................................................................................................ 50 5.4.4.2. Formatul CAP ......................................................................................................................................................... 51 5.4.4.3. Formatul DIMAP .................................................................................................................................................... 51

6. ROLUL CULORILOR N ANALIZA DATELOR DE TELEDETEC IE ......................................................... 51 6.1. GENEZA CULORILOR N NATUR ........................................................................................................................... 54 6.2. EVALUAREA CULORILOR ...................................................................................................................................... 55 6.2.1. Parametrii subiectivi de evaluare a culorii................................................................................................. 55 6.2.2. Parametrii obiectivi de evaluare a culorilor............................................................................................... 56 6.3. REPRODUCEREA CULORILOR ................................................................................................................................ 56 6.3.1. Sinteza aditiv a culorilor (amestecul aditiv) ............................................................................................. 56 6.3.2. Sinteza substractiv a culorilor .................................................................................................................. 58 6.4. ALTE NO IUNI PRIVIND CULOAREA UTILIZATE N PRACTICA PROCESRII DE IMAGINI ........................................... 59 6.5. ROLUL FILTRELOR N TELEDETEC IE .................................................................................................................... 60 7. PROCESAREA I ANALIZA IMAGINILOR....................................................................................................... 61


3


7.1. VIZUALIZAREA IMAGINII ...................................................................................................................................... 61 7.1.1. Principiul vederii binoculare ...................................................................................................................... 61 7.1.2. Efectul stereoscopic n fotogrammetrie...................................................................................................... 62 7.1.3. Anaglifele .................................................................................................................................................... 63 7.1.4. Imagini tridimensionale polarizate............................................................................................................. 65 7.1.5. Autostereogramele ...................................................................................................................................... 67 7.1.6. Imagini lenticulare...................................................................................................................................... 67 7.2. CARACTERISTICILE IMAGINILOR DIGITALE DE TELEDETEC IE .............................................................................. 67 7.3. OPERA IUNI PREGTITOARE EFECTUATE ASUPRA IMAGINILOR DE TELEDETEC IE ................................................ 69 7.4. ANALIZA IMAGINILOR .......................................................................................................................................... 70 7.4.1. Izolarea plajelor de valori ntr-un domeniu monospectral ........................................................................ 707.4.1.1. Histograma.............................................................................................................................................................. 70

7.5. CLASIFICAREA ...................................................................................................................................................... 74 7.5.1. Clasificarea imaginilor ............................................................................................................................... 74 7.5.2. Forme ale clasificrii .................................................................................................................................. 74 7.5.3. Opera iuni de pregtire a analizei .............................................................................................................. 75 7.5.4. Clasificarea spectral.................................................................................................................................. 757.5.4.1. Clasificarea nesupervizat....................................................................................................................................... 75 7.5.4.2. Clasificarea supervizat........................................................................................................................................... 76 7.5.4.2.1. Etapele de realizare a clasificrii supervizate.................................................................................................. 76 7.5.4.2.2. Plaje (praguri) de valori n domeniul multispectral......................................................................................... 77 7.5.4.2.3. Praguri de valori identificate n scopul instruirii calculatorului ...................................................................... 78 3.5.4.2.4. Delimitarea claselor prin metoda distan ei minime......................................................................................... 79 7.5.4.2.5. Delimitarea claselor prin metoda paralelipipedului......................................................................................... 80 7.5.4.2.6. Separarea claselor prin metoda verosimilit ii (probabilit ii) maxime .......................................................... 82 7.5.4.3. Analiza componentelor principale (ACP) ............................................................................................................... 82 7.5.4.4. Utilizarea indicilor de vegeta ie n procesarea imaginilor ....................................................................................... 83 7.5.4.4.1. Indicele de vegeta ie normalizat (NDVI)..................................................................................................... 84 7.5.4.4.2. Indicele de vegeta ie RATIO ........................................................................................................................ 84 7.5.4.4.3. Indicele de vegeta ie DVI.............................................................................................................................. 85 7.5.4.4.4. Indicele de vegeta ie TVI .............................................................................................................................. 85

7.6. ANALIZA MULTIVARIAT A DATELOR DE TELEDETEC IE ...................................................................................... 85 7.7. INTERPRETAREA INTEGRAT I MULTI-CONCEPTUAL ................................................................................... 86 7.7.1. Conceptul MULTI n teledetec ie .......................................................................................................... 867.7.1.1. Multi-TEMPORALITATE...................................................................................................................................... 86 7.7.1.1.1. Variabilitatea factorilor naturali...................................................................................................................... 86 7.7.1.1.1.1.Variabilitatea spectral ......................................................................................................................... 87 7.7.1.1.1.2. Variabilitatea peisajului (PEISAJUL) ................................................................................................ 87 7.7.1.1.1.3. Schimbarea func ionalit ii obiectului n peisaj ................................................................................. 87 7.7.1.1.2. Variabilitatea factorilor antropici .................................................................................................................... 88 7.7.1.1.2.1. Modificarea peisajului prin interven ie antropic ............................................................................. 88 7.7.1.2. Abordarea multi-SPECTRAL .............................................................................................................................. 88 7.7.1.3. Abordarea multi-REZOLU IE (multi-SCAR) ..................................................................................................... 89 7.7.1.4. Abordarea multi-SURS ........................................................................................................................................ 89

8.8. REZOLU IA N TELEDETEC IE ............................................................................................................................... 89 7.8.1. Imagini de foarte nalt rezolu ie (VHR) ................................................................................................... 91 7.8.2. Imagini cu rezolu ie medie 50-500m (HR)................................................................................................. 92 7.8.3. Imagini cu rezolu ie joas i foarte joas 1-5km ....................................................................................... 93 8. NO IUNI PRIVIND INTERPRETAREA IMAGINILOR ................................................................................... 95 8.1. GENERALIT I ..................................................................................................................................................... 95 8.2. ANALIZA I INTERPRETAREA ................................................................................................................................ 95 8.2.1. Informa ii spa iale....................................................................................................................................... 968.2.1.1.Interpretarea caracteristicilor spa iale....................................................................................................................... 96

8.2.2. Informa ii radiometrice............................................................................................................................... 978.2.2.1. Interpretarea caracteristicilor radiometrice.............................................................................................................. 97

8.3. RECOMANDRI PRIVIND INTERPRETAREA PROFESIONAL A IMAGINILOR SATELITARE ......................................... 97 8.4. CARACTERISTICI EXPLOATATE PENTRU EVALUAREA IMAGINILOR SATELITARE .................................................... 98 8.4.1. Rela ia i semnifica ia rela iei textur/structur........................................................................................ 98 8.4.2. Forma, mrimea obiectului i elemente corelate ...................................................................................... 99 8.5. ANALIZA PEISAJULUI .......................................................................................................................................... 101 8.5.1. Analiza re elei hidrografice (a drenajului) .............................................................................................. 101 8.6. FOTOINTERPRETAREA IMAGINILOR ..................................................................................................................... 102 8.6.1. Principii i etape ale procesului de fotointerpretare ................................................................................ 1038.6.1.1. Pregtirea (pre-zonarea) ........................................................................................................................................ 104 8.6.1.2. Confruntarea la teren............................................................................................................................................. 104


4


9. ELEMENTE SPECIFICE ELABORRII UNUI STUDIU BAZAT PE DATE DE TELEDETEC IE ........ 105 9.1.COLECTAREA MATERIALELOR DE ARHIV (HR I, MONOGRAFII, IMAGINI), VIZITE LA TEREN ............................. 105 9.2. DESCRIEREA FIZICO-GEOGRAFIC A SUPRAFE EI STUDIATE ............................................................................... 105 9.3. ANALIZA IMAGINII (IMAGINILOR) ....................................................................................................................... 106 9.4. VALIDAREA I CONFRUNTAREA LA TEREN .......................................................................................................... 106 9.5. ELABORAREA DOCUMENTELOR GRAFICE ............................................................................................................ 107 9.6. ELABORAREA RAPORTULUI TEXT........................................................................................................................ 107 10. SATELI II DIN SERIILE LANDSAT, SPOT, ERS I NOAA........................................................................ 109 10.1. SATELI II DIN SERIA LANDSAT ......................................................................................................................... 109 10.2. PROGRAMUL SPOT .......................................................................................................................................... 116 10.2.1. Pr ile componente ale satelitului .......................................................................................................... 11610.2.1.1. Sarcina util........................................................................................................................................................ 116 10.2.1.2.. Platforma multi-misiune..................................................................................................................................... 116 10.2.1.3. Caracteristicile optice ale satelitului.................................................................................................................... 117 10.2.1.3.1. Bareta de detectori ...................................................................................................................................... 117 10.2.1.3.2. Sistemul electronic de decompozi ie........................................................................................................... 118 10.2.1.3.3. Direc iile de vizare n mod P i XS ............................................................................................................. 120 10.2.1.4. Caracteristici mecanice i electronice ................................................................................................................. 121 10.2.1.5. Alte caracteristici constructive importante ale sateli ilor SPOT 1,2,3 ................................................................. 122

10.2.2. Satelitul SPOT 5...................................................................................................................................... 12710.2.2.1. Instrumentele satelitului SPOT 5......................................................................................................................... 129 10.2.2.2. Achizi ia n regim SUPERMODE....................................................................................................................... 130 10.2.2.3. Instrumentul HRS (Haute Rsolution Stroscopique-nalt Rezolu ie Stereoscopic) ...................................... 131 10.2.2.4. Instrumentul VEGETATION 2 ........................................................................................................................... 131

10.3. PROGRAMUL NOAA......................................................................................................................................... 132 10.4. PROGRAMUL EUROPEAN ERS ........................................................................................................................... 133 11. RECAPITULAREA UNOR NO IUNI DE BAZ N TELEDETEC IE ....................................................... 136 BIBLIOGRAFIE ......................................................................................................................................................... 137


5


1. Teledetec ia surs de date pentru cartografierea topografic i geografic1.1. Generalit i Ca urmare a rezolu iilor adoptate n anul 2002 la Forumul Mondial pentru Dezvoltare Durabil (World Summit on Sustainable Development) de la Johanesburg, dar i ca rezultat al acordului inter-agen ii al Organiza iei Na iunilor Unite, la nceputul anului 2003, a fost aprobat i publicat un document sintez cu titlul Solu ii spa iale pentru problemele Lumii (Space Solutions for the Worlds Problems) al crui text cu titlul Principii privind teledetec ia Pmntului din spa iul extraatmosferic (Principles Relating to Remote Sensing of the Earth from Outer Space) se refer explicit la reglementarea activit ilor din domeniul teledetec iei. Astfel, au fost enun ate o serie de principii fundamentale referitoare la domeniul observrii Terrei. Primul principiu are urmtorul con inut: termenul detec ie de la distanta nseamn studierea suprafe ei Pmntului, din spa iu, utiliznd propriet ile undelor electromagnetice emise, reflectate sau difractate de ctre obiectele studiate, n scopul mbunt irii managementului resurselor naturale, utilizrii solului i protejrii mediului; termenul date primare se refera la acele date neprelucrate, achizi ionate de senzori plasa i pe aparatul din spa iu, care sunt transmise la sol, din spa iu prin telemetrie, sub forma de semnale electromagnetice, filme fotografice, benzi magnetice sau alte mijloace; termenul de date procesate se refera la datele ob inute n urma procesrii datelor primare, procesri necesare pentru a le face utilizabile; termenul de informa ii analizate face referire la informa ia rezultat din interpretarea datelor procesate, a datelor de intrare i a cunotin elor din alte surse; termenul de activit i de detec ie de la distan se refer la opera iunile efectuate de sistemele spa iale de detec ie, colectarea de date primare i stocarea, interpretarea i diseminarea datelor procesate.

n cele ce urmeaz ne vom concentra aten ia pe explicarea unor elemente de baz fr de care nu este posibil n elegerea mecanismelor de prelucrare corect a datelor primare provenite de la sateli ii de observare a Pmntului. De fapt, utilizarea teledetec iei a devenit, n timp, o obinuin i nu mai este considerat o tehnologie nou. Aplicarea tehnicilor de teledetec ie n domeniul n elegerii i cunoaterii resurselor planetei este accept, n prezent, de comunit ile tiin ifice i guvernamentale drept instrument tehnologic avansat perfect adaptat ob inerii de informa ii variate care pot fi prelucrate cu mare eficien pentru a alimenta cu date obiective sistemele informa ionale tematice. Naterea teledetec iei satelitare se situeaz n anii '60, odat cu lansarea primelor platforme cu destina ie meteorologic. Dup 1972 progresul tehnologic a permis________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

6


plasarea pe orbit a primilor sateli i cu destina ie civil pentru monitorizarea resurselor naturale, dar numai dup 1980 se poate spune c acest domeniu de activitate a devenit opera ional. Treptat, tehnicile de captare a semnalului, mult mbunt ite din punct de vedere optic i electronic, au permis atingerea unor rezolu ii altdat accesibile doar sectorului militar, dar i dezvoltarea unor algoritmi sofistica i de exploatare a informa iilor provenite de la sateli i, a cror utilizare eficient corect rmne, din nefericire, la ndemna profesionitilor ini ia i. Trebuie n eles faptul c, pentru a deveni specialist n teledetec ie, nu este de ajuns s ai posibilitatea s achizi ionezi imagini satelitare i un sistem de prelucrare a imaginilor. Pentru a putea prelucra corect i eficient datele respective este nevoie de un background educa ional consistent, att n domeniul geo-tiin elor (tiin elor geonomice) ct i n ceea ce privete bazele fizice ale teledetec iei, tehnicile de preluare, preprocesare i procesare tematic a datelor imagine. n sens larg teledetec ia (en.remote sensing, fr.tldtection, ge. Fernerkundung) este ansamblul de mijloace care permit nregistrarea de la distan a informa iilor asupra suprafe ei terestre. O defini ie sintetic a teledetec iei a fost formulat de Colwell (1983) : "achizi ia de date despre un obiect sau un grup de obiecte cu ajutorul unui senzor situat la distan de acestea". O alt defini ie a teledetec iei, de aceast dat mai detaliat, s-ar putea enun a astfel : Teledetec ia este o tehnic modern de investigare care permite detectarea de la distan a varia iilor de absorb ie, reflexie i de emisie caracteristice undelor electromagnetice i stocarea semnalelor sub forma de fotografii, de nregistrri (care pot constitui imagini), sau de profile spectrale. Fiecare din defini iile reproduse mai sus a fost enun at de specialiti apar innd unor domenii de activitate particulare (construc ii aerospa iale, fizic). Din punct de vedere al geografului defini ia ar putea fi formulat astfel: Ansamblu de cunotin e i tehnici utilizate pentru determinarea caracteristicilor fizice i biologice ale suprafe ei terestre prin msurtori efectuate de la distan fr a intra n contact material cu acestea. Observarea suprafe ei terestre din spa iu faciliteaz cunoaterea obiectelor naturale i antropice care o constituie oferind posibilitatea mbunt irii n elegerii rela iilor dintre acestea, fa de posibilit ile limitate pe care le ofer studiile clasice care se desfoar n mare parte pe teren (in situ). Problematica teledetec iei se rezum la studiul fenomenelor urmrindu-se analizarea acestora n func ie de : natura, specificitatea i caracteristicile lor ; durata acestora cu ordin de mrime diferen iat de natura fenomenelor derulate (ore, luni, ani, decenii..) sau, generaliznd, se pot lua n considerare elemente temporale (trecutul, mai mult sau mai pu in cunoscut, prezentul studiat, viitorul prognosticat) spa iul geografic definit de :________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

7


dimensiunile laterale x,y referitoare la un plan sau o suprafa , dimensiunea vertical (altitudine, nl ime, profunzime, grosime), rela iile dintre obiecte Din punct de vedere conceptual, datele provenind de la sistemele de observare a planetei permit, ordonarea spa ial-temporal a obiectelor i fenomenelor, evolu ia lor fiind tratat diferen iat : pentru trecut : este posibil arhivarea evolu iei istorice a mediului i constituirea de baze de date referitoare la resurse (pentru realizarea studiului tendin elor), n prezent : este posibil monitorizarea i analiza schimbrilor survenite (func ia de evaluare a strii actuale), pentru viitor: se simuleaz situa ia posibil a mediului i se estimeaz disponibilul de resurse (func ia de prevenire i planificare). Folosirea imaginilor provenite de la sateli ii de observare a Pmntului ine cont de caracteristicile proprii fiecrui satelit utilizat, mai precis de cei trei parametri fundamentali: rezolu ia spa ial, rezolu ia spectral, repetitivitatea spa io-temporal. Orice analiz multi-tematic este realizat, obligatoriu, innd cont de caracteristicile senzorilor sateli ilor de la care provin datele la care analistul are acces. Lista acestor sateli i este diversificat i imposibil de analizat n cadrul unui curs cu durata limitat. Totui, ncercm s amintim o serie de programe care furnizeaz periodic date interesante i utile pentru cunoaterea i gestionarea spa iului i ale cror sateli i au o importan recunoscut pentru teledetec ia civil: LANDSAT TM, SPOT, ERS, NOAA-AVHRR, METEOSAT, RADARSAT, IRS, IKONOS, KOMPSAT, FORMOSAT, ALOS, TerraSAR-X, DMC, ENVISAT, RAPIDEYE. Utilizarea senzorilor instala i la bordul aeronavelor sau a sateli ilor constituie, n prezent, instrumentul pentru colectarea informa iilor necesare monitorizrii, controlului i administrrii mediului. Astfel, teledetec ia ofer posibilitatea studierii de ctre specialiti a problemelor majore privind conservarea naturii. Pot fi amintite tematici de studiu de mare importan pentru prezentul i viitorul omenirii : defririle masive, seceta, monitorizarea culturilor agricole, explorarea i exploatarea resurselor minerale,


8


efectele dezastrelor naturale (inunda ii, cutremure, alunecri de teren, etc.) sau antropice. De asemenea este important s fie amintite i alte aplica ii, astzi devenite opera ionale, ale teledetec iei: studiul ratei de sedimentare n estuare i areale deltaice, managementul i reabilitarea fondului forestier, reecologizarea (regenerarea solurilor) dup ncheierea exploatrilor miniere (aceste proceduri au o durat mare de peste 10 ani); monitorizarea temperaturii suprafe ei mrilor i oceanelor pentru a identifica cele mai bune locuri de pescuit din punctul de vedere al produc iei i cu impact redus asupra protec iei speciilor, studii privind salinitatea apei, msurarea cantit ii de clorofil, monitorizarea calit ii apei din punct de vedere al turbidit ii i al con inutului de alge n zonele costiere, modul de utilizarea a terenurilor. Subliniem faptul c accesul la tehnologie nu este suficient pentru a opera ionaliza aceste aplica ii. Modul n care specialistul n elege rela ia dintre imagine satelitar i realitatea nconjurtoare depinde de dou elemente aparent disociate: pregtirea sa de baz, pe de o parte, iar pe de alt parte echipamentele i tehnicile de prelucrare (opera ionale sau experimentale) de care dispune acesta. Mai trebuie inut seama i de faptul c n teledetec ie este obligatorie crearea de echipe complexe formate din specialiti capabili s extrag i s analizeze n mod coerent, integrat, cu viziune multidisciplinar, esen a informa iei tematice. De asemenea, este necesar ca, innd seama de realitatea actual fiecare guvern responsabil s accepte faptul c trebuie s genereze o investi ie public major n domeniul observrii Pmntului care s permit gestionarea resurselor naturale.

2. Spectrul electromagnetic i atmosfera2.1. Spectrul electromagnetic Mrimea cea mai des msurat de sistemele de teledetec ie actuale este energia electromagnetic emanat sau reflectat de obiectul studiat. Aceasta pentru c elementele constitutive ale scoar ei terestre (rocile, solurile), vegeta ia, apa, ct i obiectele care le acoper au proprietatea de a absorbi, reflecta sau de a emite energie. Cantitatea de energie depinde de caracteristicile radia iei (lungimea de und i intensitatea acesteia), de proprietatea de absorb ie a obiectelor i de orientarea acestor obiecte fa a de soare sau fa a de sursa de radia ie.


9


Toate obiectele din natur, cu condi ia ca temperatura lor sa fie superioara lui zero absolut (0 K 273 C), emit o cantitate specific de radia ie electromagnetic din care, o parte, poate fi perceput de instrumente specializate. O unda electromagnetic este caracterizat prin lungimea de unda (sau frecven ), polarizare i energia sa specific. Independent de aceste caracteristici, toate undele electromagnetice sunt de natura esen ial identic. Particularit ile diferitelor domenii ale spectrului au condus la clasificarea n unde radio, hiperfrecven e, infrarou, vizibil, ultraviolet, raze X i raze gamma (Fig. 1). n teledetec ie se utilizeaz, ns, numai o por iune a spectrului electromagnetic (de la microunde pn la ultraviolet). Fiecare domeniu este observat cu ajutorul unor captori/senzori adecva i n func ie de natura obiectelor i fenomenelor supuse cercetrii.

Fig. 1 Spectrul electromagnetic general (sus) i spectrul electromagnetic utilizat n teledetec ia tehnologic (jos)

Toate categoriile de obiecte de la suprafa a Terrei au proprietatea de absorbi o parte a radia iei electromagnetice, n func ie de aceasta fiind definit semntura spectral a obiectului respectiv. Pe baza cunotin elor referitoare la categoriile de radia ii cu lungimi de und absorbite i reflectate este posibil analizarea i interpretarea imaginilor de teledetec ie. Elementele care stau la baza acestor analize sunt urmtoarele : lungimea de und; intensitatea radia iei incidente;________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

10


caracteristicile obiectelor i elementelor (n particular caracteristici de absorb ie) ; orientarea acestor obiecte i elemente n raport cu pozi ia soarelui sau a sursei de iluminare. O diagram sugestiv privind domeniile spectrului electromagnetic ntlnite n activit ile curente ale omenirii are forma din figura urmtoare:

Fig. 2 Domeniile spectrului electromagnetic

Teledetec ia aerospa ial se bazeaz pe nregistrarea radia iei electromagnetice cu ajutorul senzorilor special concepu i n acest scop, utiliznd radia ia luminii, de la ultraviolet la microunde, folosind ca form de stocare a datelor imagini numerice sau analogice. Acest spectru nu este disponibil n totalitate, atmosfera ac ionnd ca un filtru de absorb ie i de difuzie, rmnnd la dispozi ie cteva ferestre de transparen . Acestea sunt zonele spectrale utilizate pentru teledetec ie, senzorii instrumentelor de captare a semnalului fiind calate n aceste lungimi de und (fig.1). Efectele atmosferei asupra nregistrrilor aeropurtate i spa iale asupra pmntului pot fi grupate n patru categorii principale: difuzie, absorb ie, refrac ie i turbulen a. Dintre acestea difuzia constituie efectul dominant n marea majoritate a situa iilor. n orice caz, pentru o n elegere corect a mijloacelor pe care teledetec ia le pune la dispozi ia operatorilor, trebuie s fie cunoscute n mod corect efectele interac iunii________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

11


radia iei electromagnetice n atmosfer i rolul acesteia, inndu-se seama de natura fenomenelor i obiectelor urmrite. n practic, analiza acestui subiect trebuie s se fac n mod diferen iat, de la simple aprecieri calitative ale filtrului atmosferic pn la modele fizico-matematice complexe, sofisticate: lund n considerare numai veriga respectiva (filtrul atmosferic) sau considernd ansamblul factorilor naturali perturbatori cu conexiunile i interdependen ele dintre acetia. Importan a real a efectelor factorilor perturbatori asupra procesului de teledetec ie depinde de natura senzorilor utiliza i i de rezultatele urmrite. Ca atare, au fost eviden iate n acest capitol conceptele de baza ale efectelor atmosferice, ionosferice i ale apei. Fiind greu de abordat ntr-o form comprimat, am considerat necesar ca tehnicile de msurare i instrumenta ia adecvat, precum i metodologia sau tehnologia de calibrare a acestor filtre perturbatoare s fie prezentate n mod sumar n aceast lucrare. 2.2. Corpul negru, Soarele, Pmntul, surse de radia ie Corpul negru este un iradiator perfect care emite toata energia absorbit. n echilibru termodinamic radia ia emis de corpul negru este verificat de legea lui Planck: B(,T) = C1 -5[e C2/T -1]1 W m-2 sterad1Hz1 n care: B(,T) - reprezint puterea radioactiv emis de banda spectrala unitar cu lungime de unda pe unitatea de suprafa a corpului negru la temperatura absoluta T K c1,c2 reprezint constante care se exprima n functie de constanta lui Planck i de constanta lui Boltzmann (c1 = 3,74. 104 W .m 4 .cm -2, respectiv c2 = 1,438 cm K) Pentru temperaturi mai mari de 200K i frecven e mai mari de 100Hz (=3 mm) se poate utiliza aproxima ia Rayleigh-Jeans: B (,T) = 2KT/4. W.m-2. sterad1. Hz1 Se demonstreaz astfel c exist o rela ie liniar ntre intensitatea radia iei i temperatura absolut pentru o lungime de und cunoscut. Radia ia solar constituie, incontestabil, sursa de energie cea mai importanta pentru msurare n teledetec ie. Radia ia pe care o emite Soarele corespunde aproximativ cu cea a corpului negru (59ooK - 6oooK), dar numeroase fenomene specifice mediilor strbtute de und (prezen a apei sub diferite forme de agregare, atmosfera,________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

12


ionosfera) modific n detaliu curba radia iei spectrale. Aa cum se poate observa n (Fig.4), trebuie remarcat faptul c, la limita superioara a atmosferei, radia ia solara are valori de circa 0,135 W / cm2.

Fig. 3 Radia ia solar i interac iunea sa cu atmosfera

Ca i Soarele, Pmntul, cu toate c are o temperatura mult mai sczut, constituie un emi tor de radia ie electromagnetic, spectrul acesteia fiind situat n infraroul mediu i deprtat (Fig.4).


13


Fig. 4 Spectrele radia iei solare i terestre

n afar de sursele naturale de radia ie electromagnetic, n practic se folosesc i surse artificiale, create de om denumite surse radiometrice. Acestea au o importan foarte mare n teledetec ie deoarece constituie baza sistemelor active de captori/senzori (emi toare dar i receptoare de radia ie electromagnetica). Este cazul radar-ului care genereaz radia ia, iar apoi nregistreaz micrile i modificrile survenite n structura semnalului dup ce radia ia a interac ionat cu mediul. 2.3. Factori limitativi n teledetec ie Dup cteva decenii de evolu ie spectaculoas, teledetec ia pare, nc a fi o tehnic extrem de general, dezvoltarea sa, precum i principalele sale aplica ii plasnd-o lng celelalte tiin e i tehnici aplicative de avangarda aprute in secolul trecut. Trebuie ns pstrate precau iile necesare, deoarece exist limitri fizice dar i restric ii de aplicare (acestea din urm din ce n ce mai mici) ale acestei tehnologii. Limitrile fizice sunt legate esen ial de fenomenele fizice susceptibile de transferul informa iei de la obiect la captor. n acest sens, sunt luate n considerare n cadrul procesului de teledetec ie : radia iile electromagnetice, cmpurile de for electrice, magnetice i cmpul gravita ional, vibra iile acustice, vibra iile mecanice, particule perturbatoare 2.4. Atmosfera - mediu perturbator


14


La traversarea atmosferei, radia ia solar este supus unor perturba ii care depind de lungimea de und proprie. Aceste perturba ii sunt datorate absorb iei i emisiei mediului precum i difuziei, difrac iei sau refrac iei atmosferice (Fig. 5).

Fig. 5 Perturba ii atmosferice

n consecin , o mic parte a radia iei solare este penetranta prin atmosfera i aceasta n por iuni bine definite ale spectrului electromagnetic. n literatura de specialitate aceste por iuni sunt ntlnite sub numele de ferestre de transmisie ale atmosferei (Fig.6).

Fig. 6 Transmisia atmosferic


15


Dup cum se poate observa, atmosfera este opac ncepnd cu cele mai scurte lungimi de und corespunztoare razelor gamma i X pana la circa 0,35 (ultraviolet foarte apropiat de vizibil). Pornind de la 0,4 atmosfera prezint ferestrele de transmisie amintite mai sus, nainte de a deveni opac ntre 14 i 1 mm. n fine, nveliul atmosferic devine penetrabil de la 1 mm la 5 cm lungime de und pentru a ajunge total penetrabil pentru toate lungimile de und mai mari. Trebuie amintit ca ionosfera introduce limitri suplimentare pe care le vom aminti ntr-un paragraf urmtor. Transparen a spectral a aerului, este, de asemenea, o caracteristic care trebuie cunoscut n procesul de nregistrare a imaginilor. Coeficientul de transparen variaz dup sezon i n func ie de diferitele lungimi de und. Vara, coeficientul de transparen scade semnificativ n vizibil, pentru infrarou varia iile fiind mult mai mici. Totui, poate s apar o mrire a luminozit ii generale datorit difuzei luminii n atmosfer. Valoarea vlului atmosferic depinde de grosimea optic a atmosferei, de distan zenital a soarelui i de direc ia de vizare, de capacitatea de reflexie a peisajului aerian, precum i de forma sub care se manifest difuzia n atmosfer. Principalele mijloace pentru nlturarea sau slbirea efectului voalului atmosferic asupra nregistrrii, sunt dispozitivele optice suplimentare ataate captorului, numite filtre. Acestea sunt pozi ionate n fa a instrumentului optic instalat pe platforma satelitar. Un al doilea mijloc de compensare a efectelor atmosferice este alegerea judicioas a benzilor spectrale. Principala sarcin a filtrelor de culoare este aceea de a absorbi razele de lumina, reflectate i difuzate de ctre atmosfer. Datorit faptului c radia iile electromagnetice corespunztoare domeniului albastru, violet i, n parte, ultraviolet, nu iau parte la formarea imaginii din cauza reflexiei i difuzrii lor de ctre atmosfera este necesar utilizarea filtrelor optice compensatoare colorate sau a detectorilor adecva i . ntre dispozitivul captor i Pmnt se afl, ntotdeauna, o ptur groas de aer care nu este niciodat complet transparent. Aceasta este alterat ntr-un anumit grad de prezen a anumitor particule, fie solide fie produse prin condensarea vaporilor de ap, care provoac difuzarea luminii n atmosfer afectnd claritatea aerului. Mediul acesta tulbure imprim i obiectului de fotografiat aceeai caracteristic, adic reduce contrastul detaliilor obiectului de fotografiat. Acest mediu alterat poart numele de vl atmosferic i are drept cauz prezen a n atmosfer a diferitelor particule strine. Corpurile strine din atmosfera provoac difuzarea razelor de lumin n mediul nconjurtor. Difuzia luminii n atmosfera are dou surse principale : cnd aerul are relativ pu ine impurit i i lumina solara este difuzat n special de ctre moleculele de gaze, predominnd radia ia albastr ; cnd aerul con ine multe impurit i (praf, fum, .a.), iar razele corespunztoare diferitelor zone ale spectrului sunt reflectate i difuzate dispropor ionat.________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

16


2.4.1. Absorb ia atmosferic Absorb ia este cauzat de tranzi ia electronic a atomilor i moleculelor, ct i de tranzi ia de rota ie sau de vibra ia molecular poliatomic. Principalele gaze absorbante din atmosfer sunt oxigenul molecular (O2), oxigenul atomic (O), ozonul (O3) - n straturile superioare ale atmosferei -, vaporii de ap i picturile (H2O), bioxidul de carbon (CO2), azotul molecular (N2), oxidul de carbon (NO), metanul (CH4), oxidul de azot (N) ct i omologii izotopici ai acestora. Spectrele de absorb ie cauzate de tranzi iile electronice se situeaz n principal n ultraviolet, iar cele generate de rota iile i vibra iile moleculare se plaseaz n infrarou. Spre deosebire de acestea, domeniul vizibil este afectat n mic msur de absorb ie. Se remarcfaptul c toate aceste spectre de absorb ie sunt spectre de banda cu o structura fin foarte complex. Absorb ia radia iei electromagnetice monocromatice de intensitate Io urmeaz legea: I= Io e-kx n care: x este lungimea traseului absorbant k este un coeficient de absorb ie Coeficien ii de absorb ie corespunztori lungimilor de und ale tranzi iilor electronice au valori foarte mari deci, se demonstreaz faptul c n atmosfera foarte nalt radia ia solara este absorbit intens. n consecin , energia absorbit se consum prin contribu ia pe care o aduce la disocierea ozonului, azotului molecular, azotului, oxigenului molecular n azot i oxigen atomic (N i O) care absorb nc energie dar n alte lungimi de unda. n ultraviolet absorb ia electronic foarte ridicat a oxigenului i azotului molecular, dublat de absorb ia oxigenului i azotului atomic sau ozonului (pentru atmosfera foarte nalt) au drept consecin imediat opacitatea pentru lungimile de und inferioare valorii de 0,3. Se mai poate reaminti faptul c, din punct de vedere cantitativ, ozonul variaz n cantitate cu anotimpul (maxim primvara) ct i cu latitudinea. De fapt, n vizibil se constat o slab absorb ie datorat ozonului la 0,6 i oxigenului molecular la 0,69 i 0,76. Intervalele de absorb ie n infrarou sunt generate de tranzi iile de rota ie i de vibra iile moleculare poliatomice. Se remarca n acest domeniu spectral importan a absorb iei vaporilor de ap ale cror benzi principale sunt situate la: 0,7; 0,8; 0,9; 1,1;


17


1,4; 1,9; 2,7; 3,2 i 6,3. Pentru bioxidul de carbon benzile principale de absorb ie sunt situate la 1,6; 2;7;si 4,3. ncepnd de la 14 pn la circa 1 mm lungime de und, propagarea este mpiedicat n totalitate de vaporii de ap n corela ie cu o banda de absorb ie foarte puternica a bioxidului de carbon situata la 15. n domeniul hiperfrecven elor atenuarea introdus de gazele atmosferice este constanta i este cauzat, n principal, de absorb ia moleculara a vaporilor de apa i a oxigenului. n acest caz ac ioneaz doua mecanisme: absorb ia de rota ie moleculara (vaporii de apa la 1,63 mm i la 13,5 mm iar ozonul la 27 mm); absorb ia spectrala paramagnetica (oxigenul molecular la 2,5 i la 5 mm). n compozi ie pur atmosfera nu are influen e negative n propagarea lungimilor de und mai mari de 2 cm. Totui, perturba iile meteorologice duc la modificri n structura fizic a atmosferei i deci radia iile cu lungimi de und mai mari de 2 cm vor avea un comportament mai greu de urmrit. 2.4.2. Difuzia atmosferic Constitu ia granular a atmosferei (ncepnd cu moleculele de gaz de baz pn la picturile de ap i praful din atmosfer) provoac difuzia radia iilor electromagnetice. Difuzia poate fi studiat comparnd mrimea relativ a particulelor cu lungimea de und a radia iei. n practica se iau n considerare trei cazuri considerate importante: cazul dimensiunilor neglijabile ale particulelor fa de lungimea de und, cazul dimensiunilor comparabile ale particulelor i lungimii de und, cazul dimensiunilor mari ale particulelor fa de lungimea de und. Primul caz corespunde lungimilor de und din domeniul vizibilul, al doilea caz este ntlnit n prezen a vaporilor de ap i aerosolilor, n timp ce al treilea caz se ntlnete din cauza particulelor de praf, picturilor de apa i cristalelor de ghea . n primul caz procesul de difuzie este cunoscut sub numele de difuizie Rayleigh. Teoria generala a acestui fenomen arat c difrac ia este propor ionala cu -4; Fenomenul explica culoarea albastra a cerului i arata ca unghiul sub care sunt difractate razele are o distribu ie specific. Atunci cnd ne aflam n de-al doilea caz, procesul de difrac ie este cunoscut sub denumirea de difrac ia lui Mie. Dac diametrul particulelor este mult mai mare


18


dect lungimea de und, difrac ia devine independent de lungimea de und. Astfel se explic culoarea cenuie a norilor. n domeniul vizibil (

curs teledetectie 2011-2012 v1

Documents