Curs Teledetectie 2010-2011 v1

USAMV-FIFIM-CADASTRU

TELEDETECTIE NOTE DE CURS

Conf.dr.ing. Alexandru BADEA

________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

1


CUPRINS1. TELEDETEC IA SURS DE DATE PENTRU CARTOGRAFIEREA TOPOGRAFIC I GEOGRAFIC5 1.1. GENERALIT I ....................................................................................................................................................... 5 1.2. SPECTRUL ELECTROMAGNETIC ............................................................................................................................... 6$ ) ) ) ) 2 2 2 2 2 2 2 6 6 6 6 6 6 3 " ( 3 3 " ! G " # " " ! # 3 " B ! ! 3 3 G @ " " " " " & " ! " ! " " " 3 # " B 3 3 @ " 3 ! 3 ( " ! " " A " B " ' A @ " 4 4 " 3 4 F F @ " ( @ " ( ! # " & 3 " 3 " 3 ! A 3 " " " " ! 4 @ " " " # " E " " @ 3 3 ( " 3 @ " ( " 3 " @ " ! 3 " " 3 " " " 3 " " " 3 ! 3 & " " ! " " " 3 ! # " ( ! " ! " ( 3 4 @ " " " I ! 3 ' ! @ " " " " " ( " " " # # ! " 4 3 3 & " " " " " 3 3 " & " " & " " " & & A A " 3 ! ! " " 3 ( 3 " I " " " " & A C D 9 9 H % 8 P % % 8 7 0 0 0 0 0 ) 2 6 2 ) 2 ) 2 6 1 ) ) ) 2 2 2 2 ) ) 2 6 6 ) ) ) ) ) ) ) ) )

1.2.2.1. Absorb ia atmosferic ............................................................................................................................................. 13 1.2.2.2. Difuzia atmosferic ................................................................................................................................................. 14 1.2.2.3. Emisia atmosferic .................................................................................................................................................. 15 1.2.2.4. Refrac ia.................................................................................................................................................................. 16 1.2.2.5. Turbulen a atmosferei ............................................................................................................................................. 16 1.2.3.1. Refrac ia generat de ionosfer ............................................................................................................................... 17 1.2.3.2. ncetinirea de und .................................................................................................................................................. 17 1.2.2.3. Eroarea efectului Doppler ....................................................................................................................................... 17 1.2.2.2.4. Rota ia planului de polarizare............................................................................................................................... 18 1.2.2.5. Atenuarea undei ...................................................................................................................................................... 18 1.2.2.6. Scintila iile .............................................................................................................................................................. 185 $ 1

1.3. RAMURI ALE TELEDEC IEI CU UTILIZARE TEMATIC (SECTORUL GEOSPA IAL) .................................................... 20 6

1.3.4.1. Caracteristici tehnice ale instrumentelor radar ........................................................................................................ 27

1.4. LAN UL DE ACHIZI IE, TRANSMISIE I PREPROCESARE A DATELOR DE TELEDETEC IE. SISTEMELE SATELITARE I INSTRUMENTELE LOR (CAPTORI, SENZORI) .................................................................................................................. 31

2. ROLUL CULORILOR N ANALIZA DATELOR DE TELEDETEC IE ......................................................... 37 2.2. EVALUAREA CULORILOR ...................................................................................................................................... 40

2.3. REPRODUCEREA CULORILOR ................................................................................................................................ 42 )

2.4. ALTE NO IUNI IMPORTANTE N PRACTICA PROCESRII DE IMAGINI....................................................................... 44 2.5. ROLUL FILTRELOR N TELEDETEC IE .................................................................................................................... 45 3. PROCESAREA I ANALIZA IMAGINILOR....................................................................................................... 46 3.1. VIZUALIZAREA IMAGINII ...................................................................................................................................... 46Q 1

3.2. CARACTERISTICILE IMAGINILOR DIGITALE DE TELEDETEC IE .............................................................................. 52 3.3. OPERA IUNI PREGTITOARE EFECTUATE ASUPRA IMAGINILOR DE TELEDETEC IE ................................................ 54 3.4. ANALIZA IMAGINILOR .......................................................................................................................................... 553.4.1.1. Histograma.............................................................................................................................................................. 56

3.5. CLASIFICAREA ...................................................................................................................................................... 58$ $


2

1 6 1 5 R 1


3.5.4.1. Clasificarea nesupervizat....................................................................................................................................... 60 3.5.4.2. Clasificarea supervizat........................................................................................................................................... 61 3.5.4.2.1. Etapele de realizare a clasificrii supervizate.................................................................................................. 61 3.5.4.2.2. Plaje (praguri) de valori n domeniul multispectral......................................................................................... 62 3.5.4.2.3. Praguri de valori identificate n scopul instruirii calculatorului ...................................................................... 63 3.5.4.2.4. Delimitarea claselor prin metoda distan ei minime......................................................................................... 64 3.5.4.2.5. Delimitarea claselor prin metoda paralelipipedului......................................................................................... 65 3.5.4.2.6. Separarea claselor prin metoda verosimilit ii (probabilit ii) maxime .......................................................... 67 3.5.4.3. Analiza componentelor principale (PCA) ............................................................................................................... 67 3.5.4.4. Utilizarea indicilorde vegeta ie n procesarea imaginilor ........................................................................................ 68 3.5.4.4.1. Indicele de vegeta ie normalizat (NDVI) ........................................................................................................ 69 3.5.4.4.2. Indicele de vegeta ie RATIO .......................................................................................................................... 69 3.5.4.4.3. Indicele de vegeta ie DVI ............................................................................................................................... 70 3.5.4.4.4. Indicele de vegeta ie TVI................................................................................................................................ 70

3.6. ANALIZA MULTIVARIAT A DATELOR DE TELEDETEC IE ...................................................................................... 70 Q Q

3.7.1.1. Multi-TEMPORALITATE...................................................................................................................................... 71 3.7.1.1.1. Variabilitatea factorilor naturali...................................................................................................................... 71 3.7.1.1.1.1.Variabilitatea spectral ............................................................................................................................ 72 3.7.1.1.1.2. Variabilitatea peisajului (PEISAJUL)..................................................................................................... 72 3.7.1.1.1.3. Schimbarea func ionalit ii obiectului n peisaj ...................................................................................... 72 3.7.1.1.2. Variabilitatea factorilor antropici .................................................................................................................... 73 3.7.1.1.2.1. Modificarea peisajului prin interven ie antropic ................................................................................... 73 3.7.1.2. Abordarea multi-SPECTRAL .............................................................................................................................. 73 3.7.1.3. Abordarea multi-REZOLU IE (multi-SCAR) ..................................................................................................... 74 3.7.1.4. Abordarea multi-SURS ........................................................................................................................................ 74

................................................................................................................................. 75Q 1 Q Q G

4. NO IUNI PRIVIND INTERPRETAREA IMAGINILOR ................................................................................... 80 4.1. GENERALIT I ..................................................................................................................................................... 80 4.2. ANALIZA I INTERPRETAREA ................................................................................................................................ 804.2.1.1.Interpretarea caracteristicilor spa iale....................................................................................................................... 81 4.2.2.1. Interpretarea caracteristicilor radiometrice.............................................................................................................. 82 5 3 " " ! " " # & 0 2 5 " # " " # & 0 2

4.3. RECOMANDRI PRIVIND INTERPRETAREA PROFESIONAL A IMAGINILOR SATELITARE ......................................... 82 4.4. CARACTERISTICI EXPLOATATE PENTRU EVALUAREA IMAGINILOR SATELITARE .................................................... 83) 2 5 5 3 3

4.5. ANALIZA PEISAJULUI ............................................................................................................................................ 86 4.6. FOTOINTERPRETAREA IMAGINILOR ....................................................................................................................... 874.6.1.1. Pregtirea (pre-zonarea) ......................................................................................................................................... 89 4.6.1.2. Confruntarea la teren............................................................................................................................................... 895 5 " & ! " 3 " B " " " 3 " 1 2 1 5 G " I ! F 3 " & ! " E " # A " % 6 2

5. GHID PENTRU ELABORAREA UNUI STUDIU DE TELEDETEC IE .......................................................... 90 6. SATELI II DIN SERIILE LANDSAT, SPOT, ERS I NOAA............................................................................ 90 6.1. SATELI II DIN SERIA LANDSAT ............................................................................................................................. 91 6.2. PROGRAMUL SPOT .............................................................................................................................................. 966.2.1.1. Instrumentele satelitului SPOT 5 .......................................................................................................................... 101 6.2.1.2. Achizi ia n regim SUPERMODE......................................................................................................................... 101 6.2.1.3. Instrumentul HRS (Haute Rsolution Stroscopique-nalt Rezolu ie Stereoscopic) ........................................ 102 6.2.1.4. Instrumentul VEGETATION 2 ............................................................................................................................. 103R R 6 9 D " 1

6.3. PROGRAMUL NOAA........................................................................................................................................... 103 6.4. PROGRAMUL EUROPEAN ERS ............................................................................................................................. 105 7. RECAPITULAREA UNOR NO IUNI DE BAZ N TELEDETEC IE ......................................................... 107


3

$ R 5 Q

6 1

7

6

'

%

9

G

"

F

P

I

C "

F

" # R

3

!

R

"

D

A

" 6 #

' " "

' ! R & B " " "

" 6 # B

A "

!

3 4 "

B

"

"

" I

#

(

0

"

"

9

4

# # 3

" 7 3

& "

A

A

" H

! "

&

"

"

!

3

3

B

" " " "

3

#

"

"

" " " & "

#

3

8

D

0

0

0

) 2 ) 0

Q

Q

6 6 5 5 5 2 2

) ) ) ) ) ) ) 2 2 5 )


BIBLIOGRAFIE ......................................................................................................................................................... 109


4


1. Teledetec ia surs de date pentru cartografierea topografic i geografic1.1. Generalit i Teledetec ia nu mai este considerat 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 ob ine mai multe informa ii despre forma i structura sa, n general despre caracterele suprafe ei n toat complexitatea alctuirii ei. Aplica iile tehnicilor de teledetec ie n domeniul n elegerii i cunoaterii resurselor planetei, sunt acceptate n prezent de comunit ile tiin ifice i guvernamentale drept instrument tehnologic perfect adaptat ob inerii de informa ii obiective care pot fi utilizate cu mare eficien n sistemele informa ionale. Naterea teledetec iei satelitare se situeaz n anii '60, odat cu lansarea primelor platforme cu destina ie meteorologic. Dup 1972 progresul tehnologic a permis plasarea pe orbit a primilor sateli i 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 au permis dezvoltarea unor algoritmi sofistica i de exploatare a informa iilor provenite de la sateli i, a cror utilizare rmne, din nefericire, accesibil numai celor ini ia i. n sens larg teledetec ia (en. , fr. ge ) 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 i mbunt ete n elegerea rela iilor dintre acestea, comparativ cu un studiu n situ. Problematica teledetec iei se rezum la studiul fenomenelor urmrindu-se analizarea acestora n func ie de :________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

5


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 : 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, din punct de vedere conceptual, ordonarea spa ial-temporal a acestora, 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 parametrii fundamentali: rezolu ia spa ial, rezolu ia spectral i repetitivitatea spa iotemporal. Orice analiz multitematic 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 abordat 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. 1.2. 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


6


i intensitatea acesteia), de proprietatatea de absorb ie a obiectelor i de orientarea acestor obiecte fa a de soare sau fa a de sursa de radia ie. 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; caracteristicile obiectelor i elementelor (n particular caracteristici de absorb ie) ;________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

7


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 (Fig. 2)

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 radia iei electromagnetice n atmosfer i rolul acesteia, inndu-se seama de natura fenomenelor i obiectelor urmrite.________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

8


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. 1.2.1. 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, ionosfera) modific n detaliu curba radia iei spectrale. Aa cum se poate observa n________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

9


(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.5).

Fig. 4 Spectrele radia iei solare i terestre________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

10


n afara 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 dup ce radia ia a interac ionat cu mediul. 1.2.2. Atmosfera - mediu perturbator 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).


11


Fig. 6 Transmisia atmosferic

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 amintite mai sus, nainte de a deveni opac ntre 14 i 1 mm. n fine, transmisia devine penetrabil de la 1 mm. n fine, transmisia devine penetrabil de la 1 mm la 5 cm lungime de und pentru a ajunge practic perfect pentru toate lungimile de unda mai mari. Trebuie amintit ca ionosfera introduce limitri suplimentare pe care le vom aminti intr-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 petrece difuzia a atmosferei. Principalele mijloace pentru nlturarea sau slbirea efectului voalului atmosferic asupra nregistrrii, sunt dispozitivele optice suplimentare ataate captorului, numite filtre, fixate n fa obiectivului camerei, dar i a benzilor spectrale judicios alese.. Principala sarcin a filtrelor colorate este 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 datorit reflexiei i difuzrii lor de ctre atmosfera este necesar utilizarea filtrelor optice compensatoare colorate sau a peliculelor adecvate .


12


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 atmosfera condi ionnd 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 se datoreaz prezen ei 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 difuzate 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. 1.2.2.1. Absorb ia atmosferic Absorb ia este datorat tranzi iilor electronice ale atomilor i moleculelor, ct i tranzi iilor de rota ie sau vibra iilor moleculare poliatomice. 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 (Fig. 5). Spectrele de absorb ie datorate tranzi iilor electronice se situeaz n principal n ultraviolet, iar cele datorate rota iilor i vibra iilor moleculare se plaseaz n infrarou. Spre deosebire de acestea, domeniul vizibil este afectat n mica msura de absorb ie. Trebuie remarcat faptul 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 sunt foarte mari deci, se demonstreaz ca n atmosfera foarte nalta________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETEC IE

13


radia ia solara este absorbita 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 n 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. n vizibil se constat o slab absorb ie datorat ozonului la 0,6 i oxigenului molecular la 0,69 i 0,76. Benzile de absorb ie n infrarou sunt provocate de tranzi iile de rota ie i de vibra iile moleculare poliatomice. Se remarca n acest domeniu spectral importanta absorb iei vaporilor de ap ale cror benzi principale sunt situate la: 0,7; 0,8; 0,9; 1,1; 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 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. 1.2.2.2. 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


14


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 unda, cazul dimensiunilor mari ale particulelor fa de lungimea de und. Pentru lungimile de unda corespunztoare vizibilului, al doilea caz este ntlnit n prezen a vaporilor de apa i aerosolilor, n timp ce al treilea caz se datoreaz particulelor de praf, picturilor de apa i cristalelor de ghea . In primul caz procesul de difuzia este cunoscut sub numele de difrac ie Rayleigh. Teoria generala a acestui fenomen arata ca 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 dect lungimea de und, difrac ia devine independent de lungimea de und. Astfel se explic culoarea cenuie a norilor). n domeniul vizibil (

Curs Teledetectie 2010-2011 v1

Documents

Transcript of Curs Teledetectie 2010-2011 v1