note curs teledetectie

Download Note Curs Teledetectie

Post on 12-Jul-2015

236 views

Category:

Documents

11 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

TELEDETECIE Definiii Detectarea de la distan informaii asupra obiectelor, fenomenelor din realitatea nconjurtoare fr a veni n contact direct cu ele. Lintz i Simonette achiziia de date fizice asupra unui obiect Barrett i Curtis observarea unei inte, corp material cu un aparat situat la o anumit distan. Shot achiziia de date i informaii derivate asupra obiectelor sau materialelor localizate la suprafaa Pmntului sau n atmosfer prin utilizarea de senzori montai pe platforme situate la distan de inte pentru a face msurtori (multispectrale) ale interaciunii dintre int i radiaia electromagnetic. Un complex de metode tehnici capabile s conduc la obinerea de informaii de la distan asupra Pmntului, celorlalte planete i a spaiului extraterestru pe baza nregistrrilor realizate n diferite benzi ale spectrului magnetic prin intermediul platformelor aeriene sau spaiale. Teledetecia nu este o tehnologie nou. De mai mult timp omul s-a ridicat deasupra Pmntului, n primul rnd pentru a-l observa de la distan i, apoi, pentru a obine mai multe informaii despre forma i structura sa, n general despre caracterele suprafeei n toat complexitatea alctuirii ei. Aplicaiile tehnicilor de teledetecie n domeniul nelegerii i cunoaterii resurselor planetei, sunt acceptate n prezent de comunitile tiinifice i guvernamentale drept instrument tehnologic perfect adaptat obinerii de informaii obiective care pot fi utilizate cu mare eficien n sistemele informaionale. Naterea teledeteciei satelitare se situeaz n anii '60, odat cu lansarea primelor platforme cu destinaie meteorologic. Dup 1972 progresul tehnologic a permis plasarea pe orbit a primilor satelii pentru monitorizarea resurselor naturale, dar numai dup 1980 se poate spune c acest domeniu de activitate a devenit operaional. Treptat tehnicile de captare a semnalului au permis dezvoltarea unor algoritmi sofisticai de exploatare a informaiilor provenite de la satelii, a cror utilizare rmne, din nefericire, accesibil numai celor iniiai. n sens larg teledetecia (en. remote sensing, fr. tldtection) este ansamblul de mijloace care permit nregistrarea de la distan a informaiilor asupra suprafeei terestre. O definiie sintetic a teledeteciei a fost formulat de Colwell (1983) : "achiziia de date despre un obiect sau un grup de obiecte cu ajutorul unui senzor situat la distan de acestea". O alt definiie a teledeteciei, de aceast dat mai detaliat, s-ar putea enuna astfel : Teledetecia este o tehnic modern de investigare care permite detectarea de la distan a variaiilor de absorbie, 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 definiiile reproduse mai sus a fost enunat de specialiti aparinnd unor domenii de activitate particulare (construcii aerospaiale, fizic). Din punct de vedere al geografului definiia ar putea fi formulat astfel: Ansamblu de cunotine i tehnici utilizate pentru determinarea caracteristicilor fizice i

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

biologice ale suprafeei terestre prin msurtori efectuate de la distan fr a intra n contact material cu acestea. Observarea suprafeei terestre din spaiu faciliteaz cunoaterea obiectelor naturale i antropice care o constituie i mbuntete nelegerea relaiilor dintre acestea, comparativ cu un studiu n situ. Problematica teledeteciei se rezum la studiul fenomenelor urmrindu-se analizarea acestora n funcie de : natura, specificitatea i caracteristicile lor ; durata acestora cu ordin de mrime difereniat de natura fenomenelor derulate (ore, luni, ani, decenii...) sau, generaliznd, se pot lua n considerare elemente temporale (trecutul, mai mult sau mai puin cunoscut, prezentul studiat, viitorul prognosticat) spaiul geografic definit de : dimensiunile laterale x,y referitoare la un plan sau o suprafa, dimensiunea vertical (altitudine, nlime, profunzime, grosime), relaiile dintre obiecte Din punct de vedere conceptual datele provenind de la sistemele de observare a planetei permit ordonarea spaial-temporal a acestora, evoluia lor fiind tratat difereniat : pentru trecut : este posibil arhivarea evoluiei istorice a mediului i constituirea de baze de date referitoare la resurse (pentru realizarea studiului tendinelor), n prezent : este posibil monitorizarea i analiza schimbrilor survenite (funcia de evaluarea strii actuale), pentru viitor : se simuleaz situaia posibil a mediului i se estimeaz disponibilul de resurse (funcia de prevenire i planificare). Folosirea imaginilor provenite de la sateliii de observare a Pmntului ine cont de caracteristicile proprii fiecrui satelit utilizat, mai precis de cei trei parametrii fundamentali: rezoluia spaial, rezoluia spectral i repetitivitatea spaiotemporal. Orice analiz multitematic este realizat, obligatoriu, innd cont de caracteristicile sateliilor la care analistul are acces, n cazul nostru LANDSAT TM, SPOT, ERS, NOAA-AVHRR i care furnizeaz periodic date interesante i utile pentru cunoaterea i gestionarea spaiului.

Spectrul electromagneticMrimea cea mai des msurat de sistemele de teledetecie actuale este energia electromagnetic emanat sau reflectat de obiectul studiat. Aceasta pentru c elementele constitutive ale scoarei terestre (rocile, solurile), vegetaia, apa, ct i obiectele care le acoper au proprietatea de a absorbi, reflecta sau de a emite energie. Cantitatea de energie depinde de caracteristicile radiaiei (lungimea de und i intensitatea acesteia), de proprietatea de absorbie a obiectelor i de orientarea acestor obiecte faa de soare sau faa de sursa de radiaie. Toate categoriile de obiecte de la suprafaa Terrei au proprietatea de absorbi o parte a radiaiei electromagnetice, n funcie de aceasta fiind definit semntura spectral a obiectului respectiv. Pe baza cunotiinelor referitoare la categoriile de radiaii cu lungimi de und absorbite i reflectate este posibil analizarea i interpretarea imaginilor de teledetecie. Elementele care stau la baza acestor analize sunt urmtoarele : lungimea de und;

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

intensitatea radiaiei incidente; caracteristicile obiectelor i elementelor (n particular caracteristici de absorbie) ; orientarea acestor obiecte i elemente n raport cu poziia soarelui sau a sursei de iluminare. Teledetecia aerospaial se bazeaz pe nregistrarea radiaiei electromagnetice cu ajutorul senzorilor special concepui n acest scop, utiliznd radiaia 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 acionnd ca un filtru de absorbie i de difuzie, rmnnd la dispoziie cteva ferestre de transparen. Acestea sunt zonele spectrale utilizate pentru teledetecie, senzorii instrumentelor de captare a semnalului fiind calate n aceste lungimi de und.

1. INTRODUCERE Informaiile obinute cu ajutorul tehnicilor de teledetecie sunt coninute de imaginile cosmice sau aeriene care sunt supuse interpretrii. Formarea acestor imagini se bazeaz pe detectarea i nregistrarea energiei electromagnetice reflectate sau emise de suprafaa corpurilor aflate n cmpul vizual al senzorilor i care au interacionat cu energia electromagnetic emis de o surs natural (Soare, Lun) sau artificial (radar). Rspunsul obiectelor din natur la variatele lungimi de und ale radiaiei electromagnetice este diferit, n funcie de proprietile lor fizice i chimice, configuraia i rugozitatea suprafeei, intensitatea iluminrii ei i unghiul de inciden. Aceste rspunsuri nregistrate prin intermediul senzorilor se traduc pe imagini prin apariia unor modele (trsturi), pe baza crora se pot deosebi i identifica obiectele respective. Interaciunea radiaiei electromagnetice cu un corp solid este exprimat prin reflexia, absorbia sau transmisia radiaiei incidente. Proporia n care au loc aceste fenomene depinde de proprietile materialului din care este constituit corpul i de lungimea de und a radiaiei electromagnetice. Modul n care se comport fiecare material pentru o anumit lungime de und determin "tonul" sau "culoarea" cu care acesta apare pe imaginile satelitare sau aeriene. Procesul formrii imaginilor presupune prezena unei surse de energie electromagnetic, transmiterea energiei de la surs la suprafaa investigat, reflexia

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

sau emisia energiei de la suprafa spre senzorul care o nregistreaz i transformarea acesteia ntr-o imagine vizibil. 2. RADIAIA ELECTROMAGNETIC 2.1. Natura radiaiei electromagnetice Energia electromagnetic este generat de cteva mecanisme: schimbri n nivelele energetice ale electronilor, accelerarea sarcinilor electrice, njumtirea substanelor radioactive i micrile termice ale atomilor i moleculelor. Lumina i toate formele de radiaie se comport att ca unde, ct i ca particule. Ele au forma unor cmpuri de fore electric i magnetic legate ntre ele n pachete (cuante sau fotoni) ce au mas zero n repaus. O particul de materie, cum ar fi un electron, prezint un comportament de und n anumite condiii. Materie pur i energie pur sunt concepte total abstracte. Masa i energia sunt inseparabile i sunt legate prin faimoasa formul a lui Einstein:

E = mc

2

(1)

unde E este energia, m este masa i c este viteza radiaiei n vid. Aceast relaie fundamental a fost demonstrat practic de pierderea net de mas n fuziunea i fisiunea nuclear i prin transformarea energiei n particule subatomice n acceleratoarele de particule de mare energie. Undele asociate cu radiaia sunt unde transversale i implic vibraii perpendiculare pe direcia de propagare. Radiaia poate strbate vidul i, de asemenea, poate afecta particulele din mediul fizic prin schimbarea proprietilor lor electronice, de vibraie i de rotaie. Fiecare cuant are asociate cmpuri electric i magnetic ce oscileaz ca unde sinusoidale perpendiculare unul pe cellalt i fa de direcia de propagare (fig. 1). Distana dintre maxime este lungimea de und (), iar numrul de vibraii ce trec printr-un punct ntr-o secund este frecvena (). Lungimea de und se exprim n metrii i submultiplii ai metrului. Frecvena se exprim n hertzi (Hz) sau 1/secund (1/s) i suprauniti ale hertzului. Cunoaterea unuia dintre acetia determin automat obinerea celuilalt pe baza ecuaiei:

= c299,893 km/s.

(2)

unde c este viteza energiei electromagnetice care este o constant egal cu

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Vibraiile electric i magnetic asociate cuantei pot avea orice orientare perpendicular pe direcia de propagare. Totui, n cazul n care cmpurile tuturor cuantelor sunt aliniate pe o direcie unic prin anumite mijloace, radiaia devine planpolarizat - un concept familiar oricrui geolog care a utilizat un microscop polarizat pentru petrografie. Frecvena sau lungimea de und a radiaiei este funcie de energia cuantei. Conform legii lui Planck:

E = h=

ch L

(3)

unde h este constanta lui Planck (6,62x10-34 s). Ecuaia de mai sus arat c cu ct este mai mic lungimea de und a radiaiei sau cu ct frecvena acesteia este mai mare, cu att este mai mare energia fiecrei cuante. Deoarece cele mai importante interaciuni radiaie-materie au loc la nivel cuantic, Legea lui Planck este important pentru nelegerea lor.

Fig. 1 Radiaia electromagnetic (EMR) compus din unde n cmpuri magnetic i electric. Aceste cmpuri sunt perpendiculare ntre ele i pe direcia de propagare a undelor. Undele reprezint fluctuaii regulate n cmpuri i sunt descrise de funcii sinusoidale. Distana ocupat de un ciclu complet de la un maxim la altul este lungimea de und (), iar numrul de cicluri ce trec printr-un punct fix ntr-o secund este frecvena radiaiei (). Ultima proprietate important a radiaiei este intensitatea sa, echivalent cu strlucirea luminii vizibile. Aceasta poate fi privit fie ca numrul de cuante, fie ca amplitudine a cmpurilor magnetic i electric. Cu ct sunt mai multe cuante la o

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

anumit lungime de und, cu att este mai mare energia transmis. Energia unei singure cuante de lungime de und mare este mai mic dect cea a unei lungimi de und mic. n consecin, detectorul trebuie s fie bombardat cu mai multe cuante de lungime de und mare pentru a produce un rspuns msurabil comparabil cu acela al unui numr mai mic de cuante de lungime de und mai mic. n general, de aceea, sistemele care lucreaz cu lungimi de und mai mari au nevoie s culeag radiaie fie de pe o arie int mai mare, fie ntr-un interval mai mare de timp, fa de situaia lungimilor de und mai mici. Acest lucru este o consecin important pentru rezoluia sistemelor de teledetecie i pentru abilitatea lor de a deosebi obiectele reale de zgomotul sistematic. n realitate, lucrurile sunt mult mai complicate, deoarece instrumentele utilizeaz diferite tipuri de detectori pentru diferitele lungimi de und.

2.2 Generarea radiaiei electromagnetice Radiaia electromagnetic este o form de energie i cantitatea de radiaie pe unitatea de timp este puterea i se msoar n Juli pe secund (J/s) sau Wai (W). Puterea incident pe sau emanat de un corp este cunoscut ca flux radiant, dar este de obicei mult mai uor de exprimat ca putere pe unitatea de arie - densitatea fluxului radiant (Wm-2). Densitatea fluxului radiant ce cade pe o suprafa este cunoscut ca iradian, fa de aceea care prsete o suprafa numit emitan (uneori denumit exitan). Limitrile mrimii dispozitivului de msur face ca rar s putem msura direct toate radiaiile ce prsesc o suprafa. n loc de aceasta, ceea ce se msoar este cantitatea de radiaie interceptat de un detector ce colecteaz radiaia ce traverseaz un anume unghi solid. Aceasta este fluxul radiant pe unitatea de unghi solid ce se numete radian. Unitatea radianei este W/m2sr (wai pe metru ptrat or steradian, n care steradianul este unitatea de unghi solid). Uneori este util de cunoscut cantitatea de radiaie msurat doar la o anumit lungime de und. Spre exemplu, fluxul spectral radiant este puterea recepionat sau radiat de un corp pe unitatea de arie pe unitate de lungime de und msurat n W/m2m. Similar, radiana spectral se msoar n W/m2srm. De asemenea, este mult mai corect de luat n calcul cantitatea de radiaie ce vine de la o suprafa ca radian sau radian spectral, atunci cnd scriem sau

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

vorbim informal despre termenul mult mai familiar de strlucire. Acest termen se refer fie la cantitatea de radiaie ce vine de la suprafa, fie la modul n care apare acea suprafa pe o imagine. Spre exemplu, dac o anumit poriune dintr-o imagine se spune c este strlucitoare este clar c noi ne referim, chiar dac nu putem cuantifica, la diferena n termeni de uniti de radian. Generarea radiaiei este n esen un proces simplu. El se produce ori de cte ori mrimea sau direcia cmpului electric sau magnetic fluctueaz n timp. Undele radio pot fi produse prin curgerea unor cureni alternativi printr-un corp conductor sau anten. Alternana este, de fapt, accelerarea i decelerarea repetat a electronilor. La cele mai scurte lungimi de und, radiaiile gama sunt obinute din ruperea nucleului atomic din timpul reaciilor nucleare de fisiune sau fuziune. Razele X, radiaia ultraviolet i radiaia vizibil sunt generate de salturile electronilor de pe o orbit stabil din jurul atomului pe o alta. Atunci cand un electron se mic de pe o orbit nalt pe una mai joas, energia pe care o pierde este convertit ntr-un foton de o anumit lungime de und. Radiaia infraroie i microundele sunt produse de vibraia i rotaia termic indus a moleculelor. Microundele sunt de asemenea generate de fluctuaii ale cmpurilor electric i magnetic. Lungimile de und ale radiaiei electromagnetice cuprind multe ordine de magnitudine, de la cele mai scurte de 10-13m pentru radiaiile gama cele mai energice, pn la mai lungi de 100km pentru undele radio foarte lungi. n concluzie a fost necesar o divizare a acestui vast interval n cteva regiuni arbitrare, fiecare cu un nume al su (tabelul 1). Tabelul 1- Principalele diviziuni ale spectrului electomagnetic Regiunea din spectru Raze gamma Raze X Radiaia ultraviolet Lumina vizibil Radiaia infraroie Infrarou apropiat Infrarou mediu Infrarou indeprtat Microunde Unde radio Limite 30 cm

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

n natur toate procesele ce genereaz radiaie sunt legate ntr-un anume fel de temperatura corpului emitent. Toate materialele din Univers, chiar i acelea din vidul aproape perfect dintre galaxii, au temperatura deasupra lui zero absolut o funcie complex de temperatur i de natura corpului nsui. Materia capabil s absoarb toat energia electromagnetic pe care o recepioneaz i s emit radiaie n perfect acord cu temperatura se numete corp negru. Energia total emis de un corp negru - emitana sa H (W/m2) - este proporional cu puterea a patra a temperaturii absolute (n grade Kelvin). Aceasta este Legea lui Stefan-Boltzmann: (-273,15 C) i emit o form de radiaie. Ct anume emite i intervalul de lungime de und este

H = T4unde este constanta lui Boltzmann (5,6697x10-8 W/m2K4).

(4)

La o anumit temperatur, un corp negru emite radiaie ntr-un anumit interval de lungimi de und. Totui temperatura sa absolut determin ce lungime de und transmite cantitatea maxim de energie. Lungimea de und dominant este dat de Legea lui Wien:

m = 2898

T

(5)

Deci, cu ct crete temperatura, energia total emis crete foarte rapid i lungimea de und ce conine cea mai mare parte din energie este mai mic. Forma curbei ce leag emitana de lungimea de und este important (fig. 3) i deriv din legile lui Boltzmann i Wien. Pentru orice temperatur exist o lungime de und minim a radiaiei, o lungime de und apropiat de emitana maxim i o coad lung spre lungimi de und mai mari. Deci, un corp negru la 6000K - temperatura la suprafaa Soarelui - nu emite radiaie mai scurt de 0,1m, are o energie maxim la 0,5m (n partea vizibil a spectrului si anume n zona verde), dar emite toate lungimile de und pn la 100m. Energia total emis este dat de aria de sub curbele din fig. 2. Nici un obiect nu este un corp negru perfect (ideal). n cazul Soarelui - sursa celei mai mari pri din radiaia utilizat n teledetecie - sunt implicate multe procese, altele dect cele de nclzire. n consecin, curba radiaiei solare (fig. 5) este un pic

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

diferit de ideal. Pe lng radiaia din intervalul 0,1 - 100m, Soarele emite raze gama rezultate din procesele termonucleare i radiaii de lungime de und mare rezultate din fluctuaiile puternicelor lui cmpuri electric i magnetic. Teledetecia se intereseaz de dou categorii de radiaii de la suprafaa Pmntului - aceea ce cade pe suprafaa lui i este absorbit sau reflectat i aceea care este emis de nsi suprafaa lui. Radiaia reflectat deriv n principal de la Soare i sistemele care o detecteaz se numesc pasive deoarece nu induc nici o energie artificial. Un sistem activ implic o "iluminare" artificial, ca n blitz-ul fotografic. n teledetecie cel mai utilizat sistem activ este transmisia radar (radio detection and ranging) i detectarea energiei radar reflectate napoi la senzor de ctre suprafaa Terrei. Experimentele au demonstrat c alte sisteme active ce utilizeaz radiaie artificial, de obicei sub form de lasere ultraviolete, pot obine date, dar pentru un numr limitat de aplicaii.

Fig. 2 Aceast familie de curbe de pe axele logaritmice exprim modul n care energia emis de un metru ptrat de corp negru la diferite temperaturi variaz cu lungimea de und i modul n care lungimea de und a emitanei maxime i intervalul de lungimi de und emise se schimb cu temperatura absolut. Aria de sub fiecare curb reprezint energia total emis la fiecare temperatur. Forma curbelor este controlat de legile lui Stefan-Boltzmann i Wien

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Deoarece temperatura ambiental a Terrei este de aproximativ 300K, legea lui Wien indic o emitan maxim la 9m, n intervalul infrarou mediu (MIR). Energia implicat n producerea acestei radiaii emise deriv din trei surse: curgerea cldurii radioenergetice din interiorul Pmntului, nclzirea suprafeei terestre de ctre radiaia solar i activitile umane. Radiaia infraroie de lungime de und mare nu este singura radiaie emis de Pmnt. Toate rocile i materialele derivate din ele conin n proporii variabile izotopi instabili40

K,

232

Th,

235

U i

238

U, ce emit raze gama

cnd se njumtesc. Aceast radiaie poate fi i ea detectat i adugat intervalului real de lucru al tehnicilor de teledetecie. 3. MATERIA I RADIAIA ELECTROMAGNETIC De modul n care radiaia interacioneaz cu materia depinde nelegerea felului n care datele de teledetecie ne ajut s recunoatem diversele materiale de la suprafaa Pmntului. Pentru un singur element chimic exist cteva stadii posibile n care el poate exista, fiecare fiind caracterizat de o anumit energie. Astfel de stadii implic tipurile de legturi (covalent sau ionic) i starea de coordonare a atomilor n molecule, nivelul energetic al electronilor cei mai exteriori ai atomului etc. Strile i nivele energetice asociate sunt unice pentru fiecare element i compus. Un atom sau o molecul poate trece printr-o tranziie de la o stare la alta dac este excitat de o radiaie de o anumit frecven. Un exemplu este fluorescena observat atunci cnd radiaia de o anumit frecven este absorbit producnd o tranziie i revenirea are ca efect emisia de radiaii de joas frecven. Exist trei tipuri de tranziii - electronic, de vibraie i de rotaie. Tranziiile electronice implic saltul electronilor de pe orbitele cele mai exterioare ale atomului ce dau valena elementului i multe din proprietile sale chimice. Astfel de tranziii sunt inversul unor moduri de a genera radiaia. Un foton de o anumit lungime de und induce unui electron exterior - conform mecanicii undelor - un salt de pe o orbit de energie joas definit ca stare de baz (stabil) ctre una cu energie ridicat (starea excitat), absorbind astfel acel foton. Lungimile de und asociate cu tranziiile electronice sunt determinate de numerele cuantice principale, momentul unghiular i spinul asociat cu orbitele electronice din interiorul unui anumit element. Tranziiile electronice apar n solide, lichide i gaze, dar sunt n special

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

importante pentru elemente precum fierul i cromul, care au cteva stri posibile de valen i diferite poziii i coordonri n moleculele n care apar n natur. Aceste diferene sunt importante pentru schimbrile subtile n lungimile de und ale tranziiilor electronice funcie de gazda elementului. Deoarece tranziiile electronice necesit energie de excitaie mare ele sunt mai comune lungimilor de und mici din domeniile ultraviolet i vizibil. Tranziiile vibraionale rezult din schimbrile n dipunerea relativ a atomilor componeni ai moleculelor. Cel mai uor de vizualizat sunt distorsiunile legturilor prin extensie sau contracie de la o stare de echilibru la alta. Analog sunetului, lungimile de und fundamentale sau "notele" asociate cu o tranziie de vibraie au matematic legate de ele armonice sau supratonuri la alte lungimi de und. Ca i tranziiile electronice, cele asociate cu vibraiile legturilor moleculare sunt caracteristice solidelor, lichidelor i gazelor. Ele necesit energii mai sczute fa de tranziiile electronice si astfel apar mpreun la radiaii cu lungimi de und mai mari, n regiunea infraroie. Tranziiile, de asemenea, apar n proprietile de rotaie ale moleculelor, dar ele se ntlnesc doar la gaze, fiind legate de schimbrile n momentul de inerie al moleculelor n rotaie ale gazului. Tranziiile rotaionale sunt de mare importan, mpreun cu tranziiile vibraionale, n interaciunea dintre radiaie i gazele atmosferice prin care suprafaa Pmntului trebuie observat de ctre toate sistemele de teledetecie. Energia detectat de sistemele de teledetecie de-a lungul spectrului de radiaii este de aceea o funcie de modul n care energia este partiionat ntre sursa sa i materialele cu care interacioneaz n drumul ei spre detector. Energia unei anumite lungimi de und a radiaiei poate fi transmis prin material, absorbit de el, reflectat de suprafaa sa, dispersat de ctre particulele sale constituiente sau reradiat la o alt lungime de und dup absorbie. n natur toate aceste posibiliti se combin ntr-un grad mai mare sau mai mic. Pentru orice material pot fi msurate trei tipuri de spectre - spectrul de absorbie (i inversul ei, spectrul de transmisie), spectrul de reflexie i spectrul de emisie. Un spectru de absorbie/transmisie se obine atunci cnd materialul se interpune ntre surs i senzor. Un spectru de reflexie este msurat atunci cnd sursa i receptorul sunt de aceeai parte a materialului. Pentru un spectru de emisie materialul nsui este sursa. n fiecare caz o prism de difracie graticular desface radiaia compus

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

n lungimile de und componente i intensitile lungimilor de und discrete sunt msurate de o serie de senzori, ele putnd fi legate de anumite procese de emisie i absorbie. Aceast tehnic este utilizat de astronomi pentru a detecta i msura abundena elementelor n stele din benzile de absorbie ale spectrului stelar. Senzorul de teledetecie este mai preocupat de spectrele continue ce arat variaia n energie/intensitate pe un interval de lungimi de und. Astfel de spectre sunt mai mult sau mai puin curbe netezite n care picurile indic maximele i minimele din jurul lungimilor de und ce corespund unor tranziii caracteristice. Muli factori microscopici i macroscopici conspir mpreun la determinarea limii, intensitii i pantei acestor trsturi, unele dintre ele fiind discutate n continuare. Principiul conservrii energiei face ca pentru orice interaciune radiaie-materie, fluxul radiant incident de la o lungime de und (EI) s fie distribuit intre reflexie (ER), absorbie (EA) i transmisie (ET) de materialul implicat:

( EI ) = ( ER ) + ( E A ) + ( ET )

(6)

Ecuaia de mai sus de divizare a energiei totale este expresia ce permite definirea proprietilor spectrale n termeni de rapoarte (ER)/(EI), (EA)/(EI), (ET)/(EI)

, care sunt reflectana spectral (), absorbana () i transmitana (),

obinndu-se astfel:

( ER ) + EI

( ) +( )EA EI

ET EI

= 1 + + = 1

(7)

Marea majoritate a materialelor geologice sunt opace i transmitana este zero. De aici rezult c ecuaia de mai sus se reduce la:

+ =1

(8)

Ceea ce nseamn c reflectana i absorbana sunt interschimbabile (n general indicele spectral este omis pentru ambii termeni), dar cel totodeauna folosit este spectrul reflectanei. Raportul fluxului total radiant reflectat de o suprafa pe fluxul radiat total incident pe aceasta suprafa (n ambele cazuri pentru un interval de lungimi de und) este cunoscut ca albedo-ul suprafeei. Dei nu este acelai lucru noi percepem albedo-ul ca strlucirea general vizibil a unui obiect reflectiv. Valoarea reflectanei unei suprafee semnific proporia energiei incidente ce este reflectat la o anumit lungime de und, dar nu i direcia n care cltorete energia reflectat. Aceasta depinde dac suprafaa produce reflexii ce rsfrng

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

lumina ca ntr-o oglind sau reflexii difuze ca acelea ale unei hrtii mate. n primul caz toat energia reflectat este direcionat la un unghi egal i opus cu unghiul de inciden. n reflexia difuz energia reflectat este direcionat egal n toate direciile, indiferent de unghiul de inciden (fig. 3). Un reflector perfect difuz se numete reflector lambertian. Multe suprafee combin cele dou reflexii prin aceea c reflect o parte din energie n toate direciile, dar reflect o mare parte n direcia de rsfrngere (fig. 3c). O suprafa se comport ca reflector rsfrngtor dac este neted i ca un reflector difuz dac este rugoas. Netezimea i rugozitatea depind de lungimea de und a radiaiei. In general, o suprafa se comport ca una rugoas dac textura ei este de o mrime comparabil cu sau mai mare dect lungimea de und a radiaiei i n mod neted dac textura sa are o scar mai mic dect aceea a lungimii de und. Mare parte din suprafee, cum sunt rocile, solurile sau iarba, sunt reflectori difuzi n spectrul vizibil - ele apar la fel de luminoase indiferent de direcia din care sunt privite, chiar dac acele mici pri ale suprafeei (spre exemplu, cristale individuale de mineral) se comport rsfrngtor.

Fig.3 Diagrame reprezentnd reflexia (a) rsfrngtoare, (b) difuz sau Lambertian i (c)combinat avnd att component rsfrngtoare, ct i component difuz Pentru teledetecie noiunea de emisivitate este de o importan egal cu cea de reflectivitate, ntre emisivitate i reflectivitate existnd o diferen major. Orice substan aflat la temperatura T posed o energie termic i emite radiaie electromagnetic n funcie de nivelul acestei energii, fiind deci un generator de

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

radiaie electromagnetic. n schimb, n cazul reflectivitii, o substan reflect n totalitate sau doar n parte radiaia electromagnetic incident la suprafaa ei. Energia caloric reprezint energia cinetic de micare aleatorie a particulelor din care este constituit materia, iar concentraia acestei energii calorice ntr-o substan este msurat prin temperatur. Micarea aleatorie determin coliziuni ntre particule, cauznd modificri ale micrilor electronilor orbitali sau ale micrilor de vibraie i rotaie ale particulelor atomice i molecuare. Stri de micare cu energie mai ridicat datorit coliziunilor pot trece n mod spontan n stri energetice mai sczute, cu emisie de radiaie electromagnetic. Astfel, energia caloric este transformat n energie radiant. ntruct temperatura sau cldura (ambele definind starea termic a unei substane) i emisia de radiaie electromagnetic sunt inseparabile, trebuie luat n consideraie fluxul caloric spre suprafaa Pmntului i dinspre acesta i transferul su sub suprafa. Regiunea microundelor a spectrului EM prezint dou oportuniti pentru colectarea datelor de teledetecie. Prima, ca i radiaia din intervalul 8-14m, suprafaa Pmntului emite microunde ca rezultat al temperaturii sale, n acord cu relaia Stefan-Boltzmann i cu legea lui Wien. A doua, microundele pot fi generate artificial ca unde coerente (radar). Ceea ce se ntmpl cu energia electromagnetic n pulsul radar cnd acesta ntlnete suprafaa depinde de patru factori majori: - atitudinea suprafeei; - rugozitatea i heterogenitatea suprafeei i a materialelor de sub suprafa; - lungimea de und, polarizaia i unghiul de depresie al radarului, care sunt variabile controlabile; - proprietile electrice ale suprafeei constanta dielelctric a materialelor de la suprafa. n ordinea descresctoare a importanei, toate ajut la determinarea proporiei energiei microundelor incidente pe care suprafaa o disperseaz napoi direct ctre antena de la bordul avionului sau platformei orbitale. Aceasta are impact asupra tonului imaginii radar. Cu ct tonul este mai strlucitor cu atr mai mare este energia dispersat ctre anten. O msur a intensitii energiei dispersate napoi ctre anten de la un punct int este seciunea radar. Aceasta este aria unei suprafee ipotetice care

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

disperseaz energia radar egal n toate direciile i care va napoia aceeai energie ctre anten ca i punctul int. O msur a energiei dispersate napoi de la o int cu suprafa mare, cum ar fi un cmp, este coeficientul de dispersie radar. Acesta este seciunea radar medie pe unitatea de arie. Este o cantitate adimensional i variaz pe cteva ordine de magnitudine exprimat ca de 10 ori logaritmul su, n decibeli (dB). Coeficientul de dispersie radar este msura fundamental a proprietilor radar ale suprafeei i determin tonul suprafeei pe imaginea radar. 3.1. Efectul atmosferei Teledetecia corpurilor cereti cum sunt luna Io a lui Jupiter sau planeta Marte consitutie deliciul geologilor. Amndou au atmosfere foarte subiri, aproape transparente, cu excepia momentelor de erupii vulcanice, n cazul lui Io, sau a furtunilor de praf, n cazul lui Marte. Virtual, pentru supraveghere este disponibil ntregul spectru al radiaiei prin utilizarea unei mari varieti de senzori. Pentru Pmnt, ns, ntreaga radiaie trebuie s treac printr-o atmosfer dens. nainte de a fi recepionat de senzorul montat pe satelit, radiaia solar trebuie s strbat n jos atmosfera i apoi s se ntoarc, tot prin aceasta, la senzor. Pentru senzorii care msoar radiaia emis de Pmnt trecerea este una singur, dar i ea este afectat de unele perturbaii. Pe lng azot i oxigen, atmosfera conine cantiti semnificative de vapori de ap, ozon (O3), dioxid de carbon (CO2) i urme de alte gaze. Toate aceastea interacioneaz cu radiaia prin tranziii de vibraie i de rotaie al cror efect este absorbia energiei de la anumite lungimi de und (fig. 4a). Absorbia radiaiei solare de lungime de und mic este unul din procesele ce duc la nclzirea atmosferei. Creterea emisiei de CO2 industrial n atmosfer este sursa aa-numitului "efect de ser", care este un proces oarecum diferit. Principalul efect al dioxidului de carbon n acest caz se manifest la lungimi de und mai mari, dominate de radiaia termal emis de Pmnt (fig. 2). Radiaia termal emis de Pmnt este absorbit de CO 2 i stocat temporar nainte de reemisia ei n spaiu. Metanul i ozonul au un efect similar. Aceast "ntrziere" n pierderea de cldur duce la nclzirea atmosferei peste temperatura pe care ar atinge-o fr absorbanii de radiaie termal. La lungimi de und mici benzile de absorbie atmosferic sunt nguste, dar cresc n lime n regiunile infraroului i microundelor. Figura 4b arat c 50% din spectrul de radiaii nu poate fi utilizat pentru teledetecia suprafeei terestre din cauz

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

c niciuna din energiiile corespunztoare nu poate penetra atmosfera. n cazul razelor gama emise, doar prin zbor la foart joas altitudine acestea pot fi n parte detectate. Este posibil i nregistrarea lungimilor de und absorbite de gaze, dar acest lucru este util doar n studii atmosferice. O alt problem a senzorului de teledetecie, dei pare ciudat, este cerul albastru. Cnd ne uitm n sus ntr-o zi senin vom observa aceast culoare a cerului, culoare pe care am putea-o observa i dac ne uitm de sus n jos. Aceasta este cauzat de unul din fenomenele rezultate din dispersia radiaiei de ctre materialele din atmosfer. Tipul de dispersie se schimb n funcie de mrimea particulelor responsabile. Acolo unde radiaia interacioneaz cu particule mai mici dect lungimea de und, cum sunt moleculele de oxigen i azot, gradul de dispersie este invers proporional cu puterea a patra a lungimii de und. Acest fenomen este cunoscut ca dispersie Rayleigh, dup descoperitorul su, Lord Rayleigh. Relaia arat c efectul dispersiei crete dramatic la lungimi de und mici - de unde cerul albastru i munii albatrii vzui de la distan. Efectul vzut de deasupra suprafeei Pmntului este o inundare cu radiaie albastr i ultraviolet reflectat, cu o component de dispersie foarte puternic i o reducere a contrastului. Cnd particulele atmosferice sunt similare ca mrime cu lungimea de und a radiaiei, ca n cazul moleculelor gigant de ap sau praf, rezult o dispersie Mie. Aceasta afecteaz lungimile de und mai mari dect lumina albastr i este o problem n condiii atmosferice de cer senin cu umiditate ridicat sau de praf. Apusurile de soare roii sunt atribuite efectului dispersiei Mie a prafului foarte fin suflat din deerturi sau particulelor microscopice de cenu i picturi de ap acid injectate n atmosfer de erupiile vulcanice. Picturile de aerosoli din nori i cea care sunt mai mari dect cele mai mari lungimi de und ale radiaiei utilizate n teledetecie disperseaz toate lungimile de und din spectrul vizibil i infrarou. Aerosolii sunt impenetrabili cu excepia radiaiei cu lungimi de und mai mari de 100 m - microunde i radar. Chiar i la astfel de lungimi de und mari, ploaia dens sau cderile de zpad pot cauza o dispersie nonselectiv ce poate fi detectat i chiar msurat. ntr-o noapte clar stelele par s sclipeasc, aa cum fac i obiectele ndeprtate ntr-o zi torid. Aceste distorsiuni sunt produse de variaiile de temperatur din aer ce dau natere la fluctuaii n indicelui de refracie al aerului i la o serie de anomalii optice. Aceleai efecte sunt prezente i atunci cnd Pmntul

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

este privit de sus. Licrirea atmosferic formeaz o important constrngere asupra mrimii obiectelor ce pot fi detectate de teledetecie, relativ la puterea de rezolvare teoretic a fiecrui sistem. Toate acestea au ca efect degradarea imaginilor de teledetecie ale Pmntului, lucru ce nu poate fi evitat datorit existenei atmosferei terestre. Absorbia atmosferic selectiv face ca s fie disponibile pentru supraveghere doar cteva lungimi de und (fig. 4b). Acele lungimi de und care trec relativ nedistorsionate prin aer reprezint ferestre atmosferice i ele determin cadrul n care pot fi construite diferitele sisteme de teledetecie. Figura 5a arat c energia radiant de la Soare este aproape nul mai jos de 0,25m. n poriunea 0,4 - 2,5m o bun parte a radiaiei este reflectat de suprafa, funcie de material, permind astfel teledetecia proprietilor radiaiei reflectate. Aceasta este regiunea de reflexie. Cel dou ferestre dintre 3 - 5m i 8 - 14m sunt dominate de energia radiant emis de suprafaa nclzit de Soare. Aceasta este regiunea de emisie. Regiunea transparent de dincolo regiunea de 1mm este microundelor.

Tehnicile de teledetecie sunt diferite n aceste trei tipuri de regiuni funcie de fenomenul pe care l contorizeaz.

Fig. 4 Diversele gaze din atmosfer absorb energia solar n diferitele lungimi de und prin tranziii de vibraie i de rotaie. Ca rezultat, curbele de iradian solar msurate n afara spaiului curba de sus din (a) i la suprafa curba de jos din (a) sunt foarte diferite. Energia disponibil pentru

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

interaciunile cu materia la suprafa se mparte n ferestre atmosferice discrete separate de benzi dominate de absorbia atmosferic (n gri). n (b) sunt prezentate principalele ferestre atmosferice pentru poriunea util din spectrul electromagnetic (EM) la scar logaritmic, n termen de procente transmise prin atmosfer. Aceste dou grafice, mpreun cu proprietile spectrale ale materialelor naturale, formeaz baza pentru construcia sistemelor de teledetecie.

O alt constrngere n design-ul sistemelor i cel mai important factor n strategia de teledetecie este interaciunea dintre radiaie i acele solide i lichide care constituie suprafaa Pmntului. Exist trei componente importante: apa, vegetaia i mineralele ce formeaz rocile i solurile. Pentru geologi interaciunea cea mai important este cea dintre radiaie i roci i soluri, dar deoarece ele conin ap sau pot fi acoperite cu vegetaie, aceste din urm materiale trebuie i ele luate n considerare.

3.2. Interaciunea radiatiei electromagnetice cu rocile i mineralele 3.2.1. Comportamentul n domeniul vizibil-infrarou apropiat Rocile sunt ansambluri de minerale i astfel spectrul lor este un amestec al acelora a constituienilor proporional cu cantitatea lor. Mineralele la rndul lor constau din ansambluri de elemente, legate impreun ca molecule prin diferite tipuri de legturi. Tranziiile electronice din atomii nii necesit mai mult energie dect tranziiile de vibraie din molecule. Astfel, primele caracterizeaz lungimile de und scurte, intervalul ultraviolet, n timp ce ultimele domin lungimile de und lungi din infrarou apropiat (SWIR). Exist totui suprapuneri ntre intervalele acestor procese fundamentale. Cele mai comune ingrediente ale rocilor i mineralelor care le formeaz sunt oxigenul, siliciul i aluminiul, mpreun cu diferite proporii de fier, magneziu, calciu, sodiu i potasiu i mici cantiti de alte elemente. Atomii de oxigen, siliciu i aluminiu au orbite electronice n care nivelele de energie sunt de aa natur nct tranziiile

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

dintre ele au un efect slab sau nu au efect n intervalul vizibil i infrarou apropiat. Spectrele mineralelor sunt dominate de efectele unor elemente mai puin comune i de structurile moleculare n care ele sunt legate. Atomii i ionii izolai pot exista doar n stri energetice discrete. Absorbia sau emisia unei anumite lungimi de und a radiaiei electromagnetice are loc ca schimbare de la o stare energetic la alta. Aceste schimbri se numesc tranziii. Valorile energetice ale strilor electronice posibile pot fi calculate cu ajutorul mecanicii cuantice i a unor consideraii teoretice, ce de asemenea permit specificarea naturii fiecrui nivel energetic electronic. Cnd rezultatele unor astfel de calcule sunt desenate pe o scar energetic, valoarea rezultant constituie o diagram a nivelelor energetice ce caracterizeaz complet starea atomului sau ionului. Nivelele energetice caracteristice elementelor izolate se schimb atunci cnd ele sunt combinate n minerale datorit strilor de valen ale ionilor lor, tipului de legturi i relaiilor lor cu ali ioni (coordonarea lor). Anumii atomi aunci cnd sunt implicai ntr-o construcie solid, cum este cea a unui mineral, fie drept constituient sau ca impuritate, pot imprti unul sau mai muli electroni ai lor cu solidul ca ntreg i acei electroni nu mai sunt asociai unui anumit atom. Nivelele energetice devin mai late, avnd un interval de valori, fiind astfel denumite "benzi energetice" ale solidului, i atomul din care provine devine ion. Toi electronii ionului rezultat rmai legai de acesta au nc stri energetice cuantificate asociate lor. n cazul ionilor de pmnturi rare, nivelele neumplute implic electroni mai adnci, care sunt bine protejai de influenele exterioare, astfel c nivelele lor energetice n solid rmn aproape neschimbate fa de cele ale ionului liber. Pe de alt parte, pentru ionii metalelor de tranziie fier, cupru, nichel, crom, cobalt, magneziu, vanadiu, titan i scandiu cei mai din exterior electroni determin n principal localizarea nivelelor energetice i deoarece ei nu sunt protejai pot fi influenai puternic de interaciunea cmpurilor electrostatice ce nconjoar ionii. Aceste cmpuri i au originea n anionii ncrcai negativ i grupurile dipolare, aa numiii "liani" ce nconjoar ionii, i poart numele de cmpuri cristaline. Schimbrile induse n ion sunt dependente de tipul, poziia i simetria lianilor nconjurtori. Pentru toate aceste elemente orbitele neumplute d au energii identice n ionul izolat, dar cnd ionul este localizat ntr-un solid nivelele energetice sunt desprite i deplasate de interaciunea cu cmpul cristalin nconjurtor. Localizarea acestor

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

nivele energetice este n principal determinat de starea de valen a ionului (spre exemplu, Fe2+ sau Fe3+), numrul su de coordonare i simetria locului pe care l ocup. Aranjamentul foarte diferit al nivelelor energetice pentru diferite cmpuri cristaline duce la apariia unui spectru destul de diferit pentru acelai ion. Totui, nu toate tranziiile posibile ntre aceste nivele pot apare la fel de puternic. Informaia legat de apariia sau nu a unei anumite tranziii este oferit de "regulile de selecie" din care cea mai pertinent este cea legat de spinul electronului strii implicate. Aceast regul spune c tranziiile permise produc trsturi intense n spectru, n timp ce acelea interzise sunt complet absente sau produc trsturi foarte slabe. Cele mai frecvent ntlnite trsturi electronice n spectrul VNIR al mineralelor (i n consecin al rocilor i solurilor) sunt datorate prezenei fierului n anumite forme. Ionul feros Fe2+: Pentru un ion feros ntr-o poziie perfect octaedric exist un singur spin care s produc tranziia crend astfel o singur trstur spectral n VNIR; atunci cnd ns dispoziia octaedric este distorsionat, cmpul suportat de ion poate cauza ruperea n continuare a unor nivele, astfel c pot apare i alte tranziii permise. n unele materiale, cum este olivina, ionii feroi pot exista n dou poziii nonechivalente, i tranziiile n fiecare din aceti ioni au o contribuie spectral diferit. Figura 5 prezint spectrul de reflexie bidimensional al ctorva minerale ce conin ioni feroi. Deoarece trsturile spectrale datorate fierului feros apar la diferite lungimi de und pentru diferite minerale, datele sunt legate n special de natura poziiei n care se gsete ionul. n consecin, informaia important legat de structura general a mineralului este oferit n acest mod oarecum indirect. Acest tip de informaie este extrem de valoroas din punct de vedere al teledeteciei. Benzile n VNIR datorate tranziiilor permise n ionul feros sunt indicate n fig. 6 de o linie vertical ce localizeaz minimul benzii. Spectrul superior din fig. 5 este acela al berilului (Be3Al2Si6O18). Banda indicat este datorat ionului feros n coordonare ase localizat n poziie aproape perfect octaedric Al3+, i se datorete singurei tranziii de spin permise (Grun-Grzhimailo et al, 1962; Wood and Nassau, 1968). Trsturile intense indicate n fig. 6 se datoresc toate tranziiilor permise de spin. Trsturile foarte slabe se datoresc tranziiilor interzise de spin, exprimate slab

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

ca "umeri" ai trsturii largi de absorbie responsabile de scderea n intensitate ctre lungimi de und mai mici.

Fig. 5. Numrul i poziia trsturilor rezultate din tranziiile electronice din mineralele cu fier depind de coordonarea ionilor de Fe2+ n structurilor moleculare ale mineralelor n discuie. Specrele au fost decalate pe vertical pentru mai mult claritate. Benzile verticale gri indic benzile spectrale ale Landsat TM, unul dintre cele mai larg utilizate sisteme de teledetecie

De asemenea, dei se pare c exist o mare varietate de posibiliti pentru a distinge mineralele cu fier (fig. 5), n realitate ele sunt utile doar n laborator pe minerale proaspete. Transferul de sarcin sau tranziia electronic interelement se refer la procesele de absorbie a energiei ce face ca un electron s migreze ntre ioni nvecinai sau ntre ioni i liani. Dei electronul este transferat, el rmne localizat n noua sa poziie i nu intr n banda de conducie. n structurile cristaline, un electron localizat n principal ntr-o orbit liant poate fi excitat pe o orbit localizat n principal n ionul metalic central sau vice-versa.

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Astfel de transferuri pot apare ntre ionii vecini ai aceluiai metal cu stri de valen diferite, astfel c procesul este esenial unul de oxidoreducere fotochimic. Acest lucru se ntmpl frecvent cnd perechi de ioni ca Fe2+ i Fe3+, Mn3+ i Mn2+ sau Ti3+ i Ti4+ sunt aezai alturi unul de altul. Trsturile spectrale ce apar ca rezultat al "transferului de sarcin" sunt de obicei foarte intense, uzual de sute sau chiar mii de ori mai intense dect permit tranziiile cmpului cristalin; procesul este facilitat cnd apare o lips de echilibru local de sarcin acompaniat de substituia izomorf cum este, spre exemplu, nlocuirea Fe2+ i Mg2+ de ctre Al3+ i Fe3+ n silicaii feromagnezieni (Burns, 1970). n teren mineralele sunt asamblate n diferite proporii n roci, astfel c spectrele lor interfer i, mult mai important, ele sunt rar proaspete, fiind acoperite de cruste subiri de produse de alterare. Deoarece radiaia vizibil i infraroie apropiat (NIR) interacioneaz doar cu primii civa microni ai suprafeei, spectrul mineralelor proaspete rar afecteaz radiaia reflectat utilizat n teledetecie. Una dintre cele mai comune trsturi observate n spectrul materialelor geologice terestre este descreterea pronunat n intensitatea spectral de la vizibil la ultraviolet, i aceast scdere brusc de intensitate este n mod particular mai evident n spectrul mineralelor de alteraie n care sunt prezeni fierul i oxigenul. Deoarece se afl la limita dintre vizibil i ultraviolet este dificil de spus dac trstura observat n vizibil reprezint aripa (panta) unei benzi de transfer de sarcin sau limita benzii de conducie. Un alt tip de tranziie electronic rezult din prezena n ionii metalici a electronilor care au suficient energie pentru a nu fi puternic legai de un anume ion i se pot transfera de la un ion la altul. Aceasta este proprietatea ce explic conductivitatea electric mare a metalelor. n minerale poate apare o tranziie similar numit transfer de sarcin. Ea este indus de energia din intervalele de band nguste ale radiaiei, crend trsturi de absorbie. Cel mai comun transfer de sarcin este implicat n migrarea electronilor de la fier la oxigen, i are ca rezultat o band larg de absorbie la lungimi de und mai mici de 0,55m. Este comun tuturor mineralelor ce conin fier i este responsabil pentru scderea abrupt a reflectanei ctre limita albastr a spectrului. Cel mai notabil efect este observat la oxizii i hidroxizii de fier (fig. 6) i este motivul pentru care aceste minerale i rocile ce le conin sunt colorate n galben, orange, rou i brun. Astfel de minerale formeaz principalii colorani n rocile alterate. i ele prezint absorbii legate de

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

cmpul cristalin, cea mai proeminent fiind n jur de 0,8 - 0,9m. Aa cum se vede n figura 9, localizarea i forma acestor benzi variaz subtil de la un mineral la altul, ajutnd astfel la deosebirea ntre aceste minerale importante. Cnd magnetitul este oxidat la hematit (-Fe2O3) spectrul se schimb afind o limit de band aparent n apropiere de 0,7m, i n geothit [ FeO (OH)], aceast margine nu se extinde mai mult n vizibil.

Fig. 6 Oxizii i hidroxizii de fier prezint n spectrele lor de reflexie trsturi de absorbie rezultate din transferul de sarcin Fe-O i din efectele cmpului cristalin. Substituia fierului n mineralele argiloase suprapune trsturi similare peste spectrele argilelor.

Centrii de culoare. Un numr limitat de materiale colorate, n special halitele, prezint trsturi spectrale n vizibil ce nu pot fi explicate prin chimismul lor sau prin prezena impuritilor, ci sunt cauzate de prezena fenomenului electronic numit "centrii de culoare". Iradierea unui cristal perfect cu un cmp potenial complet periodic nu va avea un efect permanent pentru c imediat ce radiaia este ndeprtat, electronii excitai se vor ntoarce la locurile ncrcate pozitiv pe care le-au lsat vacante. n cristalele reale, totui, defectele de reea existente disturb periodicitatea; aceste defecte pot

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

produce nivele energetice discrete n care pot cdea electronii excitai, i astfel de electroni pot deveni legai de defect. Exist multe tipuri diferite de defecte i ele au fost studiate intens, dar cel mai comun centru de culoare poart numele de "centru-F". Trsturile spectrale datorate centrelor de culoare n cristalele naturale sunt ilustrate n trei spectre ale fluoritului prezentate n fig. 7. Culorile mostrelor de fluorit au fost galben, rou i albastru.

Fig. 7 Spectrele a trei mostre de fluorit diferit colorate, ilustrnd trsturi datorate prezenei centrelor de culoare din mineral.

n unele reele periodice, nivelele energetice discrete ale nveliului electronic exterior al ionilor ce compun reeaua se lesc n benzi energetice din cauza vecintilor. Sunt de aceea dou benzi n care pot exista electronii: o regiune de energie mare numit "band de conducie" i o regiune de energie sczut numit "band de valen". ntre aceste dou benzi energetice este o zon de energie pe care electronii nu o adopt , ce poart numele de "band interzis" sau gap.

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Metalele au o conductivitate nalt, indicnd o abunden de electroni liberi. Ele prezint un gap ngust, aproape inexistent. n acest caz benzile de conducie i de valen se ating. n materialele dielectrice, pe de alt parte, electronii de valen sunt att de strns legai c sunt necesare mari cantiti de energie pentru ca ei s fie liberi; banda de conducie nu ncepe dect n regiunea ultraviolet. Dielectricele de obicei au benzi interzise largi.

Fig. 8 Spectrele a patru minerale care ilustreaz tranziia ascuit dintre absorbia intens i transparena din minerale care afieaz trsturi datorate benzii interzise i benzii de conducie. n spectrul de jos, marginea de tranziie apare n infrarou mediu.

n semiconductori limea benzii interzise este intermediar ntre metale i dielectrici i limita de conducie este marcat de apariia unei margini intense de absorbie n VNIR. Panta acestei margini este o funcie de puritatea i cristalinitatea materialului. n anumite materiale, limitele granulelor, defectele de reea, lipsa

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

periodicitii i impuritile compoziionale, toate opereaz pentru a produce margini de absorbie mai abrupte dect cele observate n cristalele singulare pure. Figura 81 prezint spectrul a patru minerale, trei dintre ele sulful (S), realgar (HgS) i stibina (Sb2S3) au limite de absorbie bine definite, marcnd tranziia dintre absorbia intens din banda de conducie la lungimi de und mai mici, pentru a completa transmisia din banda interzis de la lungimi de und mai mari. Cel de-al patrulea spectru mineral, arsenopirita (FeAsS), prezint band de conducie ce se extinde pe ntreg intervalul VNIR. Tranziiile de vibraie. Micrile aparent dezordonate ale oricrui sistem vibraional sunt date de micri simple, restrnse numeric, numite normale sau fundamentale. Pentru un sistem de N particule exist 3N-6 moduri normale. Deci numrul i forma vibraiilor normale i valorile nivelelor energetice permise pentru orice material sunt determinate de numrul i tipul atomilor lor constitueni, geometriei lor spaiale i magnitudinii forelor de legtur dintre ei. Orice vibraie normal are un numr cuantic i asociat lui i o frecven normal i. Vibraia i este de obicei descris n termeni ai micrii implicate. Pentru molecula de ap, care are doar trei moduri normale, legtura OH este desemnat de 1 sau OH

; legtura HOH de 2 i asimetria OH de 3. Atunci cnd un mod fundamental este excitat cu dou sau mai multe cuante de

energie apar supratonurile ce produc o band la de dou ori (sau multiplii ntregi ai valorii) frecvena fundamental (de exemplu: 21, 31, 41). Cnd apar dou sau mai multe fundamentale sau supratonuri diferite, trsturile de supratonuri sunt o combinaie de tonuri. Energia necesar pentru a excita modurile fundamentale ale tuturor materialelor importante geologic se gsete n regiunile infrarou mijlociu i ndeprtat. Toate fundamentalele siliciului, aluminiului sau magneziului asociate cu oxigenul apar n apropiere de 10m sau la lungimi de und mai mari. Primele supratonuri ale acestor fundamentale, care ar trebui s fie mai intense n apropiere de 5m sau la lungimi de und mai mari, nu sunt observate. n partea infraroie (SWIR) a spectrului cele mai importante tranziii vibraionale n minerale sunt cele asociate cu prezena ionilor OH-, a moleculelor de ap legate n structur sau a celor prezente n incluziunile fluide. Moleculele de ap au trei tranziii de vibraie fundamentale datorate extensiei legturii H-O-H de la 3,11m i 2,90m i

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

comprimrii acestei legturi de la 6,08m. Datorit supratonurilor i combinaiilor de tonuri se produc trsturi de absorbie la 1,9m, 1,4m, 1,14m i 0,94m, care sunt elementele de diagnostic pentru prezena moleculelor de ap n minerale (fig. 9). Aceste trsturi sunt complet acoperite, totui, de efectele aproape identice ale vaporilor de ap din atmosfer i sunt utile doar pentru situaii de laborator.

Fig. 9 Minerale care conin ap legat chimic au trsturi distincte de absorbie apropiate de lungimile de und teoretice ale supratonurilor tranziiilor de extensie ale legturii H-O-H. Niciuna dintre trsturi nu este dat de sulfai cum este gipsul, legat de ionii SO2-4. Spectrele sunt decalate pe vertical.

Fig. 10 Curbarea legturilor Al-OH i Mg-OH din mineralele argiloase i mice produce trsturi specifice de absorbie n spectrele acestora. mpreun cu alte trsturi ale spectrelor, ele formeaz un mijloc puternic de deosebire a acestor minerale

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

care sunt produse importante ale proceselor hidrotermale i sedimentare. Spectrele sunt decalate pentru claritate

Muli silicai i minerale de alterare conin ioni hidroxil (OH-) n structura lor molecular, pentru care exist o singur tranziie de extensie a legturii O-H la 2,7 m. Aceasta poate forma supratonuri n combinaie cu alte tranziii, cea mai important fiind tranziia implicnd distorsiunea legturilor metal-hidroxil Mg-OH i AlOH ce produce trsturi de absorbie n apropiere de 2,3m i 2,2m. Astfel de trsturi sunt proeminente n micele aluminoase i mineralele argiloase (fig. 10) i trsturile dominante ale mineralelor hidroxilate ce conin magneziu, cum sunt talcul, cloritele, serpentinitele i argilele bogate n magneziu (saponite). Dovedind c trsturile de absorbie pot fi rezolvate, aceste caracteristici spectrale formeaz un mijloc important de deosebire ntre tipurile de roci diferite chimic. Tranziii de vibraie similare i armonice ale acestora caracterizeaz i mineralele carbonatice. Ele deriv din extensia i comprimarea legturii C-O n ionul CO32-. Ele creeaz un numr de trsturi de absorbie n SWIR din care cea din jurul a 2,3m este cea mai proeminent (fig. 11). Acea trstur de la 2,55m se afl n afara feresteri atmosferice.

Fig. 11 Tranziiile de vibraie date de legturile C-O produc trsturi de absorbie n spectrele de reflexie ale carbonailor i mineralelor argiloase. Cea mai important este cea din

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

apropiere de 2.35m, care n general poate face distincia dintre carbonai i mineralele argiloase.

Trsturile ce apar n spectrul NIR ntre 1,6m i 2,5m sunt rezultatul supratonurilor sau combinaiilor vibraiilor interne ale ionului carbonat. Astfel de trsturi sunt de obicei destul de uor de distins. Carbonaii nu sunt asociai de obicei cu apa, astfel trsturile intense ale apei sunt frecvent absente. Exist ase moduri fundamentale ale ionului planar CO32-. Deoarece exist dou moduri degenerate, vom avea patru frecvene fundamentale n loc de ase. Ele sunt 1, extensia total simetric C-O care este inactiv n infrarou; 2, modul de legare n afara planului, ce apare la 11,36m; 3 modul de extensie asimetic C-O destul de degenerat ce apare n apropiere de 7,0m i 4 modul de extensie asimetric C-O ce apare la aproximativ 14m. n NIR carbonaii de obicei afieaz o serie de cinci benzi foarte caracteristice, primele dou dintre ele, de la lungimi de und mai mari, sunt clar dublate i sunt considerabil mai intense dect cele trei de la lungimi de und mai mici care, n general, au "umeri" n prile lor de la lungimi de und mai scurte. Dublarea poate fi explicat n termeni de ridicare a degenerrilor. Benzile afiate n spectrul calcitului (CaCO3) (fig. 14) pot fi atribuite urmtoarelor supratonuri sau combinaiilor de tonuri: 1+22 n apropiere de 2,55m; 33 n apropiere de 2,35m; 1+23+4 sau 31+24 n apropiere de 2,16m; 21+23 n apropiere de 2m i 1+33 n apropiere de 1,9m. Spectrul ambligonitului [(Li, Na)4 Al4 (PO4)4 (F, OH)4] prezint trsturi atribuite grupului P-O-H. n fosfai, arsenai i vanadai ionii izolai XO43- nu ne dau fundamentale la lungimi de und suficient de mici astfel c frecvenele supratonurilor sau combinaiilor de tonuri nu sunt suficient de intense pentru a fi detectate n NIR. Trsturile indicate n ambligonit se datoresc micrii ce implic grupul P-O-H. Berry (1968) a determinat prin tehnici cu deuteriu c benzile din apropiere de 3,39m, 4,22 m i 5,88m sunt datorate ntr-adevr vibraiilor P-O-H. Combinaiile acestor

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

trsturi dau benzile din fosfatmonohidratat de calciu n poziiile echivalente cu cele din spectrul ambligonitului. Trstura din spectrul colemanitului (Ca2B6O115H2O) poate fi datorat supratonurilor ionului BO33- exact n acelai mod n care au fost explicate vibraiile CO32- din spectrul carbonailor. De asemenea, structura molecular a borailor metalici nu este n general bine neleas, ca i trsturile din spectrele unor borai bine caracterizai cu structuri de aragonit i calcit. Dei partea reflectiv a spectrului are un potenial limitat de discriminare a rocilor, trsturile de diagnostic sunt suficiente datorit efortului depus n imbuntirea construciei senzorilor ce capteaz datele prin creterea rezoluiei spectrale suficient de mult pentru a putea separa diversele trsturi. Benzile largi ale Landsat TM, puse n eviden n figurile de la 10 la 14 sunt capabile s detecteze aceste trsturi dar nu fac o discriminare ntre mineralele hidroxilate i cele carbonatate.

3.2.2. Comportamentul n domeniul infrarou termal Caracteristicile spectrale ale solidelor anorganice n domeniul infrarou termal sau mediu din spectrul electromagnetic sunt n ntregime rezultatul proceselor de vibraie, iar cele mai intense trsturi sunt cauzate de excitarea modurilor fundamentale. n acest domeniu exist mai multe colecii de caracteristici spectrale ale mineralelor i rocilor determinate de Lyon (1962), Hunt i Salisbury (1970, 1971, 1972, 1973, 1974, 1975, 1976) i Salisbury et al. (1987, 1988) i cteva colecii ce pot fi accesate pe Internet sau care sunt incluse n programele de prelucrri de imagini, cum este ERDAS Imagine. n aceast parte din spectru radiaia emis de Pmnt atinge un vrf i exist o fereastr atmosferic ntre 8 i 14m ce permite radiaiei s fie sesizat de la distan. Un corp negru ideal, din care energia total emis i distribuia sa ntre diferitele lungimi de und este guvernat de legile lui Stefan-Boltzmann i Wien, are un spectru de emisie de form distinct (fig. 2), dar nu trsturi spectrale. O msur a deviaiei materialelor naturale de la ideal este emisivitatea lor (e) - raportul ntre emitana radiant a materialului respectiv pentru o anumit lungime de und () la o

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

anumit temperatur i cea a corpului negru. Un corp gri are o emisivitate constant mai mic de 1,0 pentru toate lungimile de und. Mare parte din materialele naturale, totui, au emisiviti ce variaz cu lungimea de und. Ele sunt radiatori selectivi deoarece tranziiile de vibraie ale legturilor din structura lor molecular limiteaz emisia la lungimi de und caracteristice. Cuarul este un bun exemplu, dup cum arat fig. 12. El radiaz aproape ca un corp negru pn la 6m, dar deviaz de la ideal la lungimi de und mai mari. Deoarece emitorii buni sunt i buni absorbani ai radiaiei, emisivitile lor sunt egale cu absorbtivitile. Ultima este dificil de msurat i relaia dintre cele dou, cunoscut ca Legea lu Kirchhoff, dup iniiatorul ei, poate fi transformat utiliznd ecuaia:

e = 1

(9)

Fig. 12 Spectrul de emisie al cuarului, la 600 K se abate de la un corp negru perfect datorit unei trsturi puternice induse de ctre extenisa legturii Si-O. Din aceast motiv cuarul este un radiator selectiv i nu un corp negru.

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Fig. 13 Datorit diferenelor n structura silicailor, poziiile picului i umrului de la lungimi de und mai mici ale extensiei Si-O (sgeile) sunt diferite n spectrele infrarou mediu ale mineralelor silicatice. Spectrele sunt obinute din experimente prin utilizarea energiei transmise, dar sunt asemntoare n cazul emisiei. Pentru claritate spectrele au fost decalate.

Depresiunea din curba de emitan a cuarului dintre 8 i 9m este rezultatul vibraiilor extensionale ale legturii Si-O. Aceasta i structurile spectrale legate de ea sunt bine evideniate de spectrul de transmisie, i ele apar att n silicai (fig. 13), ct i n nonsilicai (fig. 14) deoarece mare parte din minerale au legturi chimice cu energii de vibraie n regiunea infrarou termal, i emisia este posterioar la o energie ce coincide cu fiecare vibraie a legturii. Cea mai important trstur n spectrul familiei silicailor (fig. 13) este aceea c minimul principal de absorbie se deplaseaz n acord cu tipul structurii silicatice implicate. La fel se ntmpl i cu vrful minimului de absorbie de la marginea lungimilor de und scurte. O explicaie parial a acestui lucru este aceea c n silicaii cu diferite structuri tetraedrul SiO4 mparte oxigenul n diferite moduri. Avantajul pentru geologi este c deplasarea vrfului de la lungimi de und mici i a principalului minim ctre lungimi de und mai mari corespunde cu tranziia de la minerale mafice. felsice ctre cele

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Fig. 14 Spectrele unor non-silicai n prile infrarou mediu i termal ale spectrului electro-magnetic ce prezint modele complet diferite de trsturi de absorbie fa de silicai. Ele sunt, de asemenea, i foarte diferite unele de altele sugernd marele potenial al teledeteciei n deosebirea litologic a radiaiei termale emise. Spectrele sunt decalate pentru claritate.

n aceast regiune a spectrului, tranziiile vibraionale n nonsilicai produc trsturi spectrale diferite de cele ale silicailor (fig. 14). Cele mai importante sunt acelea asociate carbonailor i oxizilor de fier care sunt att de distincte nct cantiti mici de aceti nonsilicai n roci dominant silicatice altereaz drastic spectrul. ntradevr, calcarele i rocile ce conin fier se pot distinge uor unele de altele, ca i fa de rocile silicatice, n aceast parte a spectrului. Energia total emis de roci n regiunea infrarou termal este legat de temperatura lor. Presupunnd legea lui Stefan-Boltzman este posibil s calculm temperatura radiant a suprafeei din emitana total radiat. Temperatura unei roci este dat de contribuia a dou surse de energie: cldura intern a Pmntului i energia solar absorbit n timpul zilei. n timpul unui ciclu de 24 ore temperatura suprafeei variaz, nclzindu-se ctre un maxim n cea mai clduroas parte a zilei i rcindu-se prin radiere ctre un minim chiar naintea zorilor (fig. 15). Extremele i rata acestei variaii depinde de absorbia materialului, transmitan i capacitate termic. Aceste variabile pot fi exprimate empiric prin ineria termic; o msur a rspunsului materialului la schimbrile de temperatur, rspuns ce este dependent de timp. O roc cu inerie termic mare senclzete i se rcete lent, prezentnd astfel un interval ngust de variaie a temperaturii diurne. Cele cu inerie termic sczut prezint fluctuaii mari ale temperaturii ntr-un ciclu de 24 de ore. La 300K suprafaa Pmntului emite radiaii n regiunea lungimilor de und a microundelor ca i n infrarou, dei intensitatea scade pe msura creterii lungimii de und. Atmosfera absoarbe mare parte din energia din intervalul 14m - 1mm. Totui, n regiunea microundelor, pentru care atmosfera este transparent, intensitile sunt nc destul de mari pentru a putea fi msurate de sistemele de

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

teledetecie pasive. Un semnal detectat deasupra suprafeei va include componente emise de suprafa, emise de atmosfer i transmise de sub suprafa. Aceast ultim component este posibil deoarece rocile i solurile au transmitane mai mari la aceste lungimi de und dect au n partea vizibil i infraroie a spectrului. Deci teledetecia pasiv de microunde este capabil s ofere informaii despre materialele ngropate ca i despre cele de suprafa.

Fig. 15 Materialele cu inerie termic mare, cum sunt metalele, prezint un interval mic de variaie a temperaturii diurne deoarece ele se nclzesc i se rcesc ncet. Acele materiale ce au inerie termic sczut, cum sunt solurile, se nclzesc i se rcesc rapid, astfel c ele ating un maxim de tempera-tur n timpul zilei i un minim n timpul nopii.

Spectrele rocilor sunt compuse din acelea ale mineralelor constituiente. Funcie de structura i compoziia acestor minerale ele pot fi detectate dac sunt suficient de abundente i trsturile lor spectrale sunt suficient de puternice. Spectrele rocilor ilustreaz faptul c trsturile ce se datoresc componenilor minerali sunt deplasai ca lungime de und sau sunt degradate prin amestecul cu ali componeni ce formeaz roca. Trebuie avut grij n interpretarea spectrelor rocilor, n special cnd diferiii compui produc trsturi n aceleai regiuni; trebuie de asemenea avut grij n extrapolarea informaiei obinute din spectrele nregistrate de la suprafeele rocilor cu compoziie foarte divers. Spectrele pot oferi doar informaii legate de compoziia stratului de suprafa, care pentru energia din vizibil i infrarou apropiat are o grosime de ordinul milimetrilor. Deoarece amestecul de minerale ce formeaz rocile nu face nimic pentru a altera forma spectrului real al fiecrui constituient mineral (cu excepia granielor granulelor minerale n care reeaua cristalin poate fi deformat), spectrul rocii este

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

ntructva o combinaie a spectrelor reale ale constituienilor si. Totui, intensitatea trsturilor minerale ce apar n spectrul rocii reflect nu doar concentraia n acel mineral, ci i accesibilitatea radiaiei. Spre exemplu, mineralul de interes nclus n componente minerale transparente va oferi trsturi mai intense n spectrul rocii dect dac el ar fi nconjurat de componeni opaci. n consecin, interpretarea spectrelor rocilor pentru scopuri analitice trebuie realizat cu mare grij. n situaiile teledeteciei, eterogenitatea condiiilor compoziionale i fizice din unitatea de arie minim introduce probleme severe n interpretare. n intervalul 8-14m spectrele de emisie ale mineralelor silicatice conin un minim larg de absorbie i trsturi asociate datorate extensiei legturii Si-O. Poziia acestui minim i forma umerilor su sunt controlate de coordonarea siliciului cu oxigenul. Pe msur ce proporia de siliciu din silicai crete, trstura de absorbie se mut ctre lungimi de und mai mici. Deoarece clasificarea silicailor se face funcie de coordonarea Si-O, aceast deplasare este un potenial mod de discriminare a silicailor prin intermediul teledeteciei. Trsturi similare caracterizeaz carbonaii (extensia legturii C-O), mineralele cu fier (Fe-O), Mineralele argiloase (Si-O-Si, Si-O, Al-OH) i diverse alte grupe de minerale. Bogia de trsturi spectrale diverse i controlate compoziional din partea infraroie termal a spectrului sugereaz o aplicare cu succes a analizei multispectrale pe intervalul 814m. Aceasta este regiunea cea mai probabil s ofere un mijloc de discernere direct ntre tipurile de roci, deoarece cele mai proeminente trsturi sunt legate direct de mineralele formatoare de roci i mai puin de componenii minori cum sunt limonitul i mineralele argiloase. Figura 16 prezint spectrele pentru un interval larg de roci magmatice i sedimentare.

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Fig. 16 Aceste spectre de transmisie n infrarou termal ale unor roci magmatice i sedimentare depind de compozitia mineral a fiecrei roci (fig. 13 i fig. 14). Liniile verticale indic benzile spectrale detectate de TIMS (Thermal Infrared Multispectral Scaner). Curbele sunt decalate pentru a li se putea observa forma (Kahle i Rowan, 1980)

n ciuda puternicei atracii exercitate de datele termale multispectrale, dificultile n separarea benzilor nguste n regiunea emisiv nu au permis dect

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

dou dispozitive experimentale de obinere a imaginilor TIMS i Geoscan. Ambele opereaz doar aeropurtat.

Un dispozitiv satelitar multspectral este ASTER care se afl la bordul satelitului TERRA lansat n decembrie 1999 si care ncorporeaz 14 benzi spectrale nguste (tabelul 2). Tabelul 2 Benzile spectrale acoperite de 5 sisteme spaiale de teledetecie utile n geologie

Teoretic, alegnd o combinaie propice de benzi pe baza spectrelor de laborator i a unor rapoarte de benzi bine alese, ar trebui s putem pune n eviden efectele diverselor minerale. n practic, radiana emis de suprafa este dominat de temperatur i deci de topografie, albedo i ineria termic. Exist un nalt grad de corelaie ntre benzile termale. Imaginile color compozite ale benzilor brute sau ale rapoartelor de benzi, chiar i cu mbuntirea contrastului, sunt foarte slabe. Cea mai bun abordare este utilizarea filtrrii de decorelaiei. Aceasta exploateaz spaiul color i produce imagini n care culorile pot fi legate de spectrele de laborator i interpretate n termeni de diferite tipuri de roci.

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Fig. 17 Scderea coninutului n silice din rocile magmatice (i din cteva roci metamorfice cu aceeai compoziie) are ca rezultat deplasare progresiv a trsturii extensive de absorbie a legturii Si-O ctre lungimi de und mai mari n spectrul de emisie termal. Poziia canalelor TIMS sugereaz faptul c studiile n domeniul termal pot fi un mijloc foarte putenic de cartare geologic n terenuri cristaline. Spectrele sunt decalate pe vertical pentru a le putea fi obsevat mai bine forma (Vickers i Lyon, 1967)

Lucrrile experimentale pe un numr de zone test au pus n eviden rezultate interesante, unele dintre ele sunt prezentate n fig. 18 i 19. Se pare c exist dou roluri majore ale acestei abordri. Primul este legat de rocile magmatice care bineneles conin diverse minerale silicatice. Figura 17 prezint deplasarea progresiv a trsturii extensiei legturii Si-O n spectrele rocilor ctre lungimi de und mai mari pe msur ce coninutul general n silice descrete. Figura 22 prezint ct de puternic este aceast abordare. Dac rocile ultrabazice sunt prezente n zon sunt posibile i rezultate mai bune. Cealalt abordare se concentreaz pe

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

diferenele n spectrele cuarului, mineralelor argiloase i carbonailor i efectele lor asupra signaturilor rocilor sedimentare. Figura 22 ofer un exemplu de discriminare a rocilor sedimentare prin utilizarea acestei metode.

Fig. 18 (a)este o imagine fals-color a benzilor TMS 5,3,1, afiate ca R,G,B dup o ajustare a contrastului componenilor principali i rerotaia n spaiul datelor originare. (b) este o imagine compozit de culori mediate a reflectanelor 1.6-2.2m (rou), 1.6-0.48m (verde) i 0.6-1.1m (albastru) unui scaner mltispectral aeropurtat. Imaginea TIMS este mult mai bun dect imaginea mediat n distingerea tufurilor, bazaltelor, carbonailor i siltitelor, plus exemple de iviri mbogite n minerale argiloase. Imaginea mediat este mai util n separarea depozitelor aluviale. Aria ce conine roci ce au suferit dou tipuri de alterare n timpul activitii hidrotermale i mineralizaiei ntr-o zon circular ce apare n ambele imagini n nuane de rou. n imaginea mediat prile bogate n argile ale zonei de alterare are un raport 1.6/2.2 ridicat i apare n rou strlucitor. Cele cu un coninut ridicat de fier i un raport 1.6/0.48 ridicat apar n verde. Rocile silicifiate i-au pierdut coninutul n argil i apar n rou nchis, maro i albastru. Petecele galbene reflect zone bogate att n fier ct i n minerale argiloase. Imaginea TIMS exprim aceste variaii n mod oarecum diferit, iar culorile sunt afectate n special de coninutul n silice cuar sau opal. Rocile silicifiate sunt de culoare portocaliu aprins i rocile opalizate bogate n argil sunt magenta. Ambele tipuri de imagini se completeaz reciproc n cercetarea acestor tipuri de depozite minerale. (Anne B. Kahle, Jet Propulsion Laboratory Pasadena- Drury S., 2001)

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Fig. 19 Aceast imagine TIMS a fost realizat n acelai mod ca cea anterioar. Ea este o parte din bazinul sedimentar mezozoic Wind River, Wyoming, SUA. Datorit trsturilor spectrale din infrarou mediu, sedimentele bogate n silice apar n nuane de la rou la rou-oranj, iar carbonaii n verde i verde-albstrui. Carbonaii conin petece sporadice i strate discontinue de gresii roii. Rocile arenitice n culori strlucitoare din partea stng i datoresc variaiile de culoare (roz, verde, galben) proporiilor variabile de carbonai i silice din cimentul lor. (Anne B. Kahle, Jet Propulsion Laboratory Pasadena- Drury S., 2001)

3.3. Interaciunea radiaiei electromagnetice cu vegetaia Funcie de climat i de solurile care pot proveni direct din rocile subiacente (bedrock) sau au fost transportate, vegetaia poate prezenta variaii legate de geologie. Plantele utilizeaz energia solar pentru a converti apa i dioxidul de carbon n carbohidrai i oxigen n procesul de fotosintez. Modul n care fac acest lucru are o mare influen n interaciunea lor cu radiaia. Fiind organisme vii metabolismul lor este puternic dependent de sistemele vasculare pe baz de ap i de structurile celulare. Abundena apei n structura lor de aceea controleaz i aceast interaciune cu radiaia. Catalizatorul pentru fotosintez este pigmentul clorofil, o protein complex ce conine fier. Clorofila absoarbe radiaia solar pentru a crete nivelele energetice ale electronilor i astfel de a duce la pomparea de protoni de-a lungul membranelor celulare, baza metabolismului lor. Acest lucru se realizeaz prin absorbia benzilor

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

din apropiere de 0,45m i 0,68m - n prile albastr i roie a spectrului vizibil (fig. 20).

Fig. 20 Curba tipic a reflectanei spectrale a unei frunze ce arat efectul puternic al absorbiei date de clorofil n partea vizibil a spectrului, eficiena reflexiei n infrarou apropiat datorat celulelor frunzei i trsturile de absorbie distincte ale apei coninute n structura sa. Pentru comparaie este desenat un spectru tipic pentru ap i sol. Acesta este motivul pentru care mare parte din frunzele sntoase apar verzi. n afar de trsturile sale de absorbie, clorofila poate fi fcut s emit lumin, prin fenomenul de fluorescen, n dou benzi nguste de lng 0,69m i 0,74m dac este iluminat cu un fascicul puternic de lumin laser. Aceasta este baza unor tehnici speciale laser de teledetecie utilizate pentru determinarea coninutului de clorofil al frunzelor sau planctonului. Clorofila, totui, este instabil peste 70C. Pentru a o proteja de variaiile termice plantele au dezvoltat mijloace de a echilibra energia prin reflexia puternic a radiaiei infrarou apropiate, parial prin nveliul lucios al frunzelor, dar n special de ctre celulele interne. Structura celulelor plantei este astfel constituit nct pn la 50% din radiaia incident din domeniul infrarou apropiat este reflectat intern pentru a reiei la suprafa. Ceea ce rmne este transmis direct prin frunze. Apa din celule absoarbe o parte din energie n zonele sale caracteristice din jurul a 1,4m i 1,9m (fig. 20), absorbana depinznd de proporia de ap. Peste 2m frunzele absorb radiaia infrarou apropiat.

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Diferitele structuri celulare, proporia de clorofil i ali pigmeni, coninutul de ap i morfologia suprafeei diferitelor plante au un efect marker asupra proprietilor lor spectrale n spectrul vizibil i infrarou apropiat (VNIR). Reflectana spectral a vegentaiei crete foarte abrupt pe msur ce lungimea de und crete peste ~0,7m i 0,75m. Aceast schimbare abrupt n reflectana spectral este uneori cunoscut ca marginea roie. Figura 21 ilustreaz acest efect pentru diferite tipuri de vegetaie. Este clar c nu doar nlimea platoului din VNIR depinde de specia plantei, dar i poziia exact a acestei margini roii poate varia funcie de plant. Aceti doi factori pot i ei fluctua n cazul n care plantele sunt sub stress, ca rezultat al privrii de ap sau nutrieni, sau atunci cnd sunt intoxicate (otrvite) de un exces de elemente urm toxice cum este cromul. Mai mult, plantele sunt ansambluri de frunze, spaii, rmurele i uneori ramuri, cu diferite forme i mrimi ale frunzelor etc. Toate interaciunile individuale n astfel de structuri complexe pot interfera i n continuare pot lrgi intervalul de rspuns. Acest lucru faciliteaz discriminarea ntre specii i ntre membrii sntoi sau bolnavi ai aceleiai specii.

Fig. 21 Toate atributele diferite ale coninutului n clorofil, ale formei frunzelor, a ariei i numrului, mpreun cu structura general a plantei contribuie la proprietile de reflectan spectral ale speciilor de plante. Cu toate c toate cele patru plante prezint proprieti similare n spectrul vizibil, ele se difereniaz net prin reflectana n infrarou apropiat.

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Deoarece plantele au cicluri de via cu durat diferit, proprietile lor spectrale nu sunt fixe. Pe msur ce frunzele cztoare se maturizeaz nainte de a cdea, coninutul lor n clorofil scade ndeprtnd absorbia puternic n zona roie (fig. 22). n consecin acestea i schimb culoarea de la verde, prin galben la rou. Pe msur ce celulele se contract i se usuc ele devin mai puin eficiente n reflectarea VNIR. Cnd frunzele cad, progresiv mai puin plant ntercepteaz radiaie solar i reflectana devine dominat de sol i covorul de frunze de dedesubt. Atunci cnd apar noi frunze reflectana n infrarou apropiat este bine dezvoltat, dublat de o reflectan de galben puternic. Pe msur ce crete coninutul de clorofil se dezvolt benzile de absorbie n albastru i rou, pn cnd reflectana vizibil atinge un minim n sezonul de maxim dezvoltare. Coniferele nu-i leapd frunzele i totdeauna afieaz coninuturi mari de clorofil. Deoarece frunzele lor sunt mici, este interceptat mai puin radiaie solar i astfel reflectana ntregii plante este sczut comparativ cu cea a copacilor cu frunze cztoare.

Fig.22 Spectrele de la 1 la 5 arat stadiile progresive de schimbare a culorii frunzelor de fag nainte de cderea frunzelor toamna, de la verde nchis (1) pn la verde-glbui deschis (2), rou-oranj (3), brun (4) i frunze moarte uscate (5).

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Rspunsul vegetaiei n regiunea infrarou termal este complex. Mare parte din energia absorbit la lungimi de und mici este reemis pentru a menine balana energetic. Temperatura radiant a unei plante poate fi de pn la 10 - 15C peste temperatura aerului noaptea i pn la 5C sub n timpul zilei. Plantele, de asemenea, i controleaz temperatura prin transpiraie - exteriorizarea umiditii din pori pe frunze, i de aici o pierdere de cldur latent n vapori de ap. Muli factori joac un rol in determinarea ratei transpiraiei: temperatura actual, umiditatea, alimentarea cu ap a rdcinilor (care controleaz deschiderea i nchiderea porilor). Utilizarea radiaiei infrarou termal emise de aceea poate oferi o cheie pentru multe din aceste procese. 3.4. Interaciunea radiaiei electromagnetice cu apa Corpurile de ap au un rspuns diferit la radiaie dect cea a legturii apei legate din moleculele minerale. Ele nu prezint benzile discrete ale tranziiilor de vibraie att de caracteristice apei moleculare. n loc de acestea, curbele de rspuns spectral arat trsturi largi (fig. 20). n intervalul vizibil interaciunea depinde de o varietate de factori. Doar considernd proprietile de reflectan, cantitatea de lumin vizibil reflectat de o suprafa de ap depinde de unghiul de iluminare i de prezena i natura valurilor; apa neted poate prezenta "scnteieri" pe cnd apa cu valuri o face mai rar. n general mai puin de 5% din radiaia vizibil incident este reflectat de ap. Apa are o mare transmitan pentru lungimile de und vizibile, dar ea crete pe msur ce scade lungimea de und. Ca rezultat, doar lumina albastr penetreaz peste o anumit adncime, lungimile de und mai mari fiind absorbite la nivele mai sczute (adncimi mai mici). De aceea n apa clar este posibil s estimm adncimea din intensitatea radiaiei vizibile reflectate de fund, n special cea a luminii albastre (fig23). pentru adncimi mai mari de 40m totui, toat radiaia vizibil este absorbit i corpurile de ap apar ntunecate.

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Fig. 23 Apa Mrii Roii din zona Mersa Fatma (Eritrea) pemite penetrarea luminii verzi pn la adncimi de 20-30 m. In imaginea (a), o imagine Landsat TM fals-color, nuanele de albastru ale apelor din apropierea rmului sunt rezultatul reflexiei recifilor de coral i a nisipului din apa puin adnc. Imaginea (b) prezint benzi colorate asociate unor intervale nguste ale reflectanei n albastru pentru a realiza o reprezentare a variaiilor de batimetrie. Tonurile de verde se afl deasupra nivelului mrii, rou este zona apelor celor mai puin adncii, iar n continuare trecerea ctre albastru nchis i magenta este dat de tranziia ctre ape din ce n ce mai adnci. Exist de asemenea o anumit cantitate de dispersie a luminii n ap care este responsabil de culoarea albastr a apei clare cnd este prea adnc pentru a i se vedea fundul. Exist doi factori care contribuie la acest efect: dispersia Rayleigh asigur dispersia mai aceentuat a lungimilor de und mai mici fa de cele mai mari, i descreterea n transmitana luminii cu creterea lungimilor de und ceea ce face ca lumina albastr dispersat s nu poat fi absorbit nainte de a scpa la suprafa. Sedimentele n suspensie, planctonul i vopselele naturale cum sunt taninurile din turbrii, toate cresc reflectana luminii vizibile de ctre ap. De aceea este posibil s estimm cantitatea de material n suspensie din ap din datele de teledetecie. n regiunea infrarou apropiat apa se comport ca un corp negru perfect i absoarbe teoretic toat energia incident. Este singurul material din natur cu aceast proprietate i astfel corpurile de ap pot fi decelate uor de alte trsturi de suprafa n aceast parte a spectrului de radiaii, chiar dac au o adncime mic sau conin mult material n suspensie. Fiind aproximativ un bun corp negru, apa este aproape un emitor perfect de radiaie infraroie, ca i un bun absorbant (fig. 24). Aceasta nseamn c msurtorile radiaiei infraroii emise n regiunea 8m - 14 m

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

pot fi utilizate pentru calcularea foarte precis a temperaturii la suprafaa corpurilor de ap. O combinaie a proprietilor apei n mare i a celor ale apei moleculare controleaz interaciunea energiei radiate cu apa din spaiile poroase ale rocilor i solurilor. Apa din pori crete absorbana rocii i solului i astfel scade reflectana. Solurile i rocile umede de aceea apar mai ntunecate dect n stare uscat. n regiunea infraroie solurile i rocile umede afieaz n mod mut scderi ale reflectanei produse de tranziiile vibraionale ce sunt distincte pentru mineralele cu coninut de ap molecular i pentru vegetaie (fig. 9 i fig. 20). n regiunea infrarou termal rspunsul solurilor i rocilor umede este complicat de diveri factori de mediu cum ar fi umiditatea i rcirea dat de vnt, n mod analog cu efectul transpiraiei la plante.

Fig. 24 Msurtori experimentale ale emisiei spectrale radiante a apei relev faptul c aceasta se manifest ca un corp negru aproape perfect. Acest lucru nseamn c msurtorile energiei emise n regiunea infrarou mediu de ctre ap ar trebuis dea temperatura real a suprafeei. n practic, totui, exist complicaii datorate efectelor de rcire sau nclzire a aerului din filmul de la suprafa, astfel c nu este posibil msurarea dect a unei temperaturi relative.

Zpada proaspt este una dintre suprafeele naturale reflective la lungimi de und vizibile, dar n regiunea infrarou apropiat reflectana sa scade cu prezena unor trsturi de vibraie largi ale H2O (fig. 25b). Pe msur ce zpada mbtrnete, ea recristalizeaz, formnd cristale largi, i efectul acestora este reducerea

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

reflectanei, n special n regiunea infraroie. Gheaa (fig. 25a) are un rspuns similar, cu excepia faptului c reflectana sa n vizibil este sub 70%, dar dac conine impuriti (ca n muli gheari) reflectana poate fi sub 20%. Gheaa natural de obicei are ceva zpad pe suprafaa sa i/sau suprafaa este rugoas i interiorul su conine limite ntre granule i bule de aer. Prezena acestor centrii de dispersie duce la o puternic dispersie difuz, n special n VNIR. Pe msur ce crete lungimea de und peste scara acestor centrii, dispersia de volum predominant este nlocuit de dispersia de suprafa, comportamentul spectral se schimb de la puternic difuz n VNIR/SWIR la puternic rsfrngtor n infrarou termal.

(a)

(b)

Fig. 25 Curbe spectrale pentru (a) ghea; (b) zpad Zpada proaspt, fin i frostul ar trebui s fie lambertiene la toate lungimile de und, aa cum gheaa curat i neted ar trebui s fie rsfrngtoare la toate lungimile de und. Zpada veche, sfrmat ar trebui s fie predominant Lambertian n VNIR/SWIR i predominant rsfrngtoare n infrarou termal. Schimbri cum ar fi cele din rspunsul spectral al zpezii i gheii pot fi uor de observat de ctre teledetecie i sunt utile n studii hidrologice ca i n glaciologie. n particular, gheaa foarte veche i curat este n general albastr la culoare.

Multispectral Scanner

Thematic Mapper

DOCTOR INGINER BADESCU GABRIEL. NOTE DE CURS TELEDETECTIE

Numarul benzii 42 5 6 7 83

Micrometri

IFOV: Rata de achizitie a datelor: Nivele de cuantificare a datelor: Interval de acoperire a Pmntului: Altitudinea:

Sensibilitate radiometric (NEP) 0.5 - 0.6 1 0.45 - 0.52 0.8 0.6 - 0.7 2 0.52 - 0.60 0.5 0.7 - 0.8 3 0.63 - 0.69 0.5 0.8 - 1.1 4 0.76 - 0.90 0.5 10.4 - 12.6 5 1.55 - 1.75 1.0 7 2.08 - 2.35 2.4 6 10.4 - 12.50 0.5K (NE T) 79 X 79 m pentru benzile 4 30 X 30 m pentru benzile 1 - 5, 7 -7 120 X 120 m pentru banda 6 240 X 240 m pentru banda 8 15 Mb/s 6 biti, 64 nivele 18 zile - Landsat 1, 2, 3 16 zile - Landsat 4, 5 919 km 85 Mb/s 8 biti, 256 nivele 16 zile 705 km

Sensibilitate radiometric (NEP)1 0.57 0.57 0.65 0.70 1.4K (NET)

Numarul benzii

Micrometri

Benzile spectrale ale sensorului Thematic Mapper se diferentiaz destul de mult de cele ale sensorului MSS ale cror ltimi de band fusesera selectate pe baza utilittii lor pentru inventarieri generale asupra vegetatiei si studii geologice generale. In schimb, majoritatea benzilor TM au fost alese n urma analizrii pe parcursul mai multor ani a valorii lor n discriminarea tipurilor d