Curs Teledetectie 2011-2012 v1

USAMV-FIFIM-CADASTRU

TELEDETECTIE NOTE DE CURS

Conf.dr.ing. Alexandru BADEA

________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETECIE

1


CUVNT NAINTE

Textul i ilustraiile acestui volum se adreseaz studenilor Facultii de mbuntiri Funciare i Ingineria Mediului din Bucureti, ntreg coninutul lucrrii, rod al acumulrii unei experiene practice ndelungate recunoscute n domeniu, fiind orientat ctre nelegerea mecanismelor i proceselor eseniale care asigur nsuirea unor noiuni de baz necesare pentru o utilizare corect a mijloacelor tehnice pe care le ofer teledetecia. Pentru a putea practica teledetecia nu este suficient s dispunem de un calculator echipat cu un program specializat de procesare de imagini pe care orice utilizator poate s nvee s l manipuleze cu ajutorul meniurilor din ce n ce mai sofisticate. Este nevoie, n primul rnd, de cunoaterea mediului natural care constituie obiectul investigaiei tiinifice satelitare. Aa cum, nc din anul 1985, unul dintre pionierii teledeteciei aplicate, francezul P. Foin, enuna axioma conform creia nu este o ntmplare faptul c TELEDETECIA i ECOLOGIA au aprut i s-au dezvoltat n paralel, lucrarea de fa ncerc s descrie n mod simplificat principiile de baz ale utilizrii imageriei satelitare. Aceste principii trebuie s fie considerate i acceptate pentru a putea utiliza n cunotin de cauz algoritmii specifici procesrii de imagini, etap a prelucrrii informaiei care are ca scop principal cartografierea tematic a suprafeei terestre. Instrumentele de procesare permit identificarea unor trsturi ale obiectelor i fenomenelor pe care simul vzului nu le putea distinge prin mijloace analogice, ns, pn la utilizarea profesional a acestor instrumente informatice, este necesar educarea ochiului i a intelectului pentru a putea observa corect i util forma, culoarea i textura. De fapt, trebuie s nvm s citim o imagine n conformitate cu metodele complexe de procesare elaborate i verificate n timp. De la nregistrarea imaginii (n faza de observare) pn la interpretarea acesteia (n faza de prelucrare) se folosesc att deprinderi bazate pe raionalul argumentat tiinific ct i pe abordri intuitive, acestea din urm uneori empirice, prin care creierul uman stabilete legturi ntre caracteristicile obiectelor/fenomenelor din natur i rolul sau efectele acestora asupra evoluiei societii umane. n mod intenionat, n paginile ce urmeaz, nu se fac referiri detaliate la sateliii i programele satelitare relativ recent aprute, dar se insist pe cunoaterea mai detaliat a programelor satelitare LANDSAT i SPOT care reprezint, fr dubii, axa temporal a dezvoltrii spectaculoase a tehnologiilor specifice teledeteciei. Autorul________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETECIE

2


CUPRINS1. TELEDETECIA SURS DE DATE PENTRU CARTOGRAFIEREA TOPOGRAFIC I GEOGRAFIC6 1.1. GENERALITI ....................................................................................................................................................... 6 2. SPECTRUL ELECTROMAGNETIC I ATMOSFERA........................................................................................ 9 2.1. SPECTRUL ELECTROMAGNETIC ............................................................................................................................... 9 2.2. CORPUL NEGRU, SOARELE, PMNTUL, SURSE DE RADIAIE ............................................................................... 12 2.3. FACTORI LIMITATIVI N TELEDETECIE ................................................................................................................ 14 2.4. ATMOSFERA - MEDIU PERTURBATOR .................................................................................................................... 14 2.4.1. Absorbia atmosferic ................................................................................................................................. 17 2.4.2. Difuzia atmosferic ..................................................................................................................................... 18 2.4.3. Emisia atmosferic...................................................................................................................................... 19 2.4.4. Refracia ...................................................................................................................................................... 19 2.4.5. Turbulena atmosferei................................................................................................................................. 20 2.5. IONOSFERA, MEDIU PERTURBATOR ....................................................................................................................... 20 2.5.1. Refracia generat de ionosfer.................................................................................................................. 20 2.5.2. ncetinirea i atenuarea undei................................................................................................................... 21 2.5.3. Eroarea efectului Doppler i rotaia planului de polarizare...................................................................... 21 2.5.4. Scintilaiile .................................................................................................................................................. 22 3. RADIAIA ELECTROMAGNETIC N INTERACIUNE CU SUPRAFAA TERESTR........................ 22 3.1. COMPORTAMENTUL OBIECTELOR N INTERACIUNE CU RADIAIA ELECTROMAGNETIC...................................... 22 3.2. DOMENII DE APLICARE A TELEDETECIEI.............................................................................................................. 24 4. RAMURI ALE TELEDECIEI GEOSPAIALE CU UTILIZARE TEMATIC ............................................ 25 4.1. FOTOGRAMMETRIA AERIAN................................................................................................................................ 26 4.2. TELEDETECIA MULTISPECTRAL N VIZIBIL I INFRAROU.................................................................................. 30 4.4. TELEDETECIA N MICROUNDE ............................................................................................................................. 31 4.4.1. Caracteristici tehnice ale instrumentelor radar ......................................................................................... 32 5. LANUL DE ACHIZIIE, TRANSMISIE I PREPROCESARE A DATELOR DE TELEDETECIE. SISTEMELE SATELITARE I INSTRUMENTELE LOR (CAPTORI, SENZORI) ........................................... 35 5.1. VECTORII PURTTORI ........................................................................................................................................... 36 5.2. ORBITELE SATELIILOR ........................................................................................................................................ 36 5.2.1. Orbita aleas pentru sateliii SPOT............................................................................................................ 41 5.2.2. Controlul orbitei cu ajutorul sistemului DORIS........................................................................................ 43 5.2.3. Sistemul local de referin orbital ............................................................................................................ 44 5.3. INSTRUMENTELE DE ACHIZIIE (CAPTORI, VECTORI, DETECTORI) ......................................................................... 46 5.4. MIJLOACELE DE TRANSMISIE LA SOL I DE PREPROCESARE A DATELOR BRUTE ..................................................... 47 5.4.1. Segmentul de comand de la sol................................................................................................................. 47 5.4.2. Instalaiile de gestiune i supraveghere a satelitului ................................................................................. 47 5.4.3. Instalaiile de exploatare a datelor primite de la satelit ............................................................................. 48 5.4.4. Formatul de distribuie a datelor imagine.................................................................................................. 505.4.4.1. Formatul SISA ........................................................................................................................................................ 50 5.4.4.2. Formatul CAP ......................................................................................................................................................... 51 5.4.4.3. Formatul DIMAP .................................................................................................................................................... 51

6. ROLUL CULORILOR N ANALIZA DATELOR DE TELEDETECIE ......................................................... 51 6.1. GENEZA CULORILOR N NATUR ........................................................................................................................... 54 6.2. EVALUAREA CULORILOR ...................................................................................................................................... 55 6.2.1. Parametrii subiectivi de evaluare a culorii................................................................................................. 55 6.2.2. Parametrii obiectivi de evaluare a culorilor............................................................................................... 56 6.3. REPRODUCEREA CULORILOR ................................................................................................................................ 56 6.3.1. Sinteza aditiv a culorilor (amestecul aditiv) ............................................................................................. 56 6.3.2. Sinteza substractiv a culorilor .................................................................................................................. 58 6.4. ALTE NOIUNI PRIVIND CULOAREA UTILIZATE N PRACTICA PROCESRII DE IMAGINI ........................................... 59 6.5. ROLUL FILTRELOR N TELEDETECIE .................................................................................................................... 60 7. PROCESAREA I ANALIZA IMAGINILOR....................................................................................................... 61


3


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

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

7.6. ANALIZA MULTIVARIAT A DATELOR DE TELEDETECIE ...................................................................................... 85 7.7. INTERPRETAREA INTEGRAT I MULTI-CONCEPTUAL ................................................................................... 86 7.7.1. Conceptul MULTI n teledetecie .......................................................................................................... 867.7.1.1. Multi-TEMPORALITATE...................................................................................................................................... 86 7.7.1.1.1. Variabilitatea factorilor naturali...................................................................................................................... 86 7.7.1.1.1.1.Variabilitatea spectral ......................................................................................................................... 87 7.7.1.1.1.2. Variabilitatea peisajului (PEISAJUL) ................................................................................................ 87 7.7.1.1.1.3. Schimbarea funcionalitii obiectului n peisaj ................................................................................. 87 7.7.1.1.2. Variabilitatea factorilor antropici .................................................................................................................... 88 7.7.1.1.2.1. Modificarea peisajului prin intervenie antropic ............................................................................. 88 7.7.1.2. Abordarea multi-SPECTRAL .............................................................................................................................. 88 7.7.1.3. Abordarea multi-REZOLUIE (multi-SCAR) ..................................................................................................... 89 7.7.1.4. Abordarea multi-SURS ........................................................................................................................................ 89

8.8. REZOLUIA N TELEDETECIE ............................................................................................................................... 89 7.8.1. Imagini de foarte nalt rezoluie (VHR) ................................................................................................... 91 7.8.2. Imagini cu rezoluie medie 50-500m (HR)................................................................................................. 92 7.8.3. Imagini cu rezoluie joas i foarte joas 1-5km ....................................................................................... 93 8. NOIUNI PRIVIND INTERPRETAREA IMAGINILOR ................................................................................... 95 8.1. GENERALITI ..................................................................................................................................................... 95 8.2. ANALIZA I INTERPRETAREA ................................................................................................................................ 95 8.2.1. Informaii spaiale....................................................................................................................................... 968.2.1.1.Interpretarea caracteristicilor spaiale....................................................................................................................... 96

8.2.2. Informaii radiometrice............................................................................................................................... 978.2.2.1. Interpretarea caracteristicilor radiometrice.............................................................................................................. 97

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


4


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

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

10.3. PROGRAMUL NOAA......................................................................................................................................... 132 10.4. PROGRAMUL EUROPEAN ERS ........................................................................................................................... 133 11. RECAPITULAREA UNOR NOIUNI DE BAZ N TELEDETECIE ....................................................... 136 BIBLIOGRAFIE ......................................................................................................................................................... 137


5


1. Teledetecia surs de date pentru cartografierea topografic i geografic1.1. Generaliti Ca urmare a rezoluiilor adoptate n anul 2002 la Forumul Mondial pentru Dezvoltare Durabil (World Summit on Sustainable Development) de la Johanesburg, dar i ca rezultat al acordului inter-agenii al Organizaiei Naiunilor Unite, la nceputul anului 2003, a fost aprobat i publicat un document sintez cu titlul Soluii spaiale pentru problemele Lumii (Space Solutions for the Worlds Problems) al crui text cu titlul Principii privind teledetecia Pmntului din spaiul extraatmosferic (Principles Relating to Remote Sensing of the Earth from Outer Space) se refer explicit la reglementarea activitilor din domeniul teledeteciei. Astfel, au fost enunate o serie de principii fundamentale referitoare la domeniul observrii Terrei. Primul principiu are urmtorul coninut: termenul detecie de la distanta nseamn studierea suprafeei Pmntului, din spaiu, utiliznd proprietile undelor electromagnetice emise, reflectate sau difractate de ctre obiectele studiate, n scopul mbuntirii managementului resurselor naturale, utilizrii solului i protejrii mediului; termenul date primare se refera la acele date neprelucrate, achiziionate de senzori plasai pe aparatul din spaiu, care sunt transmise la sol, din spaiu prin telemetrie, sub forma de semnale electromagnetice, filme fotografice, benzi magnetice sau alte mijloace; termenul de date procesate se refera la datele obinute n urma procesrii datelor primare, procesri necesare pentru a le face utilizabile; termenul de informaii analizate face referire la informaia rezultat din interpretarea datelor procesate, a datelor de intrare i a cunotinelor din alte surse; termenul de activiti de detecie de la distan se refer la operaiunile efectuate de sistemele spaiale de detecie, colectarea de date primare i stocarea, interpretarea i diseminarea datelor procesate.

n cele ce urmeaz ne vom concentra atenia pe explicarea unor elemente de baz fr de care nu este posibil nelegerea mecanismelor de prelucrare corect a datelor primare provenite de la sateliii de observare a Pmntului. De fapt, utilizarea teledeteciei a devenit, n timp, o obinuin i nu mai este considerat o tehnologie nou. Aplicarea tehnicilor de teledetecie n domeniul nelegerii i cunoaterii resurselor planetei este accept, n prezent, de comunitile tiinifice i guvernamentale drept instrument tehnologic avansat perfect adaptat obinerii de informaii variate care pot fi prelucrate cu mare eficien pentru a alimenta cu date obiective sistemele informaionale tematice. Naterea teledeteciei satelitare se situeaz n anii '60, odat cu lansarea primelor platforme cu destinaie meteorologic. Dup 1972 progresul tehnologic a permis________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETECIE

6


plasarea pe orbit a primilor satelii cu destinaie civil 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, mult mbuntite din punct de vedere optic i electronic, au permis atingerea unor rezoluii altdat accesibile doar sectorului militar, dar i dezvoltarea unor algoritmi sofisticai de exploatare a informaiilor provenite de la satelii, a cror utilizare eficient corect rmne, din nefericire, la ndemna profesionitilor iniiai. Trebuie neles faptul c, pentru a deveni specialist n teledetecie, nu este de ajuns s ai posibilitatea s achiziionezi imagini satelitare i un sistem de prelucrare a imaginilor. Pentru a putea prelucra corect i eficient datele respective este nevoie de un background educaional consistent, att n domeniul geo-tiinelor (tiinelor geonomice) ct i n ceea ce privete bazele fizice ale teledeteciei, tehnicile de preluare, preprocesare i procesare tematic a datelor imagine. n sens larg teledetecia (en.remote sensing, fr.tldtection, ge. Fernerkundung) 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 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 oferind posibilitatea mbuntirii nelegerii relaiilor dintre acestea, fa de posibilitile limitate pe care le ofer studiile clasice care se desfoar n mare parte pe teren (in 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 :________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETECIE

7


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 obiectelor i fenomenelor, 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 evaluare a 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 parametri fundamentali: rezoluia spaial, rezoluia spectral, repetitivitatea spaio-temporal. Orice analiz multi-tematic este realizat, obligatoriu, innd cont de caracteristicile senzorilor sateliilor de la care provin datele la care analistul are acces. Lista acestor satelii este diversificat i imposibil de analizat n cadrul unui curs cu durata limitat. Totui, ncercm s amintim o serie de programe care furnizeaz periodic date interesante i utile pentru cunoaterea i gestionarea spaiului i ale cror satelii au o importan recunoscut pentru teledetecia civil: LANDSAT TM, SPOT, ERS, NOAA-AVHRR, METEOSAT, RADARSAT, IRS, IKONOS, KOMPSAT, FORMOSAT, ALOS, TerraSAR-X, DMC, ENVISAT, RAPIDEYE. Utilizarea senzorilor instalai la bordul aeronavelor sau a sateliilor constituie, n prezent, instrumentul pentru colectarea informaiilor necesare monitorizrii, controlului i administrrii mediului. Astfel, teledetecia ofer posibilitatea studierii de ctre specialiti a problemelor majore privind conservarea naturii. Pot fi amintite tematici de studiu de mare importan pentru prezentul i viitorul omenirii : defririle masive, seceta, monitorizarea culturilor agricole, explorarea i exploatarea resurselor minerale,


8


efectele dezastrelor naturale (inundaii, cutremure, alunecri de teren, etc.) sau antropice. De asemenea este important s fie amintite i alte aplicaii, astzi devenite operaionale, ale teledeteciei: studiul ratei de sedimentare n estuare i areale deltaice, managementul i reabilitarea fondului forestier, reecologizarea (regenerarea solurilor) dup ncheierea exploatrilor miniere (aceste proceduri au o durat mare de peste 10 ani); monitorizarea temperaturii suprafeei mrilor i oceanelor pentru a identifica cele mai bune locuri de pescuit din punctul de vedere al produciei i cu impact redus asupra proteciei speciilor, studii privind salinitatea apei, msurarea cantitii de clorofil, monitorizarea calitii apei din punct de vedere al turbiditii i al coninutului de alge n zonele costiere, modul de utilizarea a terenurilor. Subliniem faptul c accesul la tehnologie nu este suficient pentru a operaionaliza aceste aplicaii. Modul n care specialistul nelege relaia dintre imagine satelitar i realitatea nconjurtoare depinde de dou elemente aparent disociate: pregtirea sa de baz, pe de o parte, iar pe de alt parte echipamentele i tehnicile de prelucrare (operaionale sau experimentale) de care dispune acesta. Mai trebuie inut seama i de faptul c n teledetecie este obligatorie crearea de echipe complexe formate din specialiti capabili s extrag i s analizeze n mod coerent, integrat, cu viziune multidisciplinar, esena informaiei tematice. De asemenea, este necesar ca, innd seama de realitatea actual fiecare guvern responsabil s accepte faptul c trebuie s genereze o investiie public major n domeniul observrii Pmntului care s permit gestionarea resurselor naturale.

2. Spectrul electromagnetic i atmosfera2.1. Spectrul electromagnetic Mrimea cea mai des msurat de sistemele de 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.


9


Toate obiectele din natur, cu condiia ca temperatura lor sa fie superioara lui zero absolut (0 K 273 C), emit o cantitate specific de radiaie 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 esenial identic. Particularitile diferitelor domenii ale spectrului au condus la clasificarea n unde radio, hiperfrecvene, infrarou, vizibil, ultraviolet, raze X i raze gamma (Fig. 1). n teledetecie se utilizeaz, ns, numai o poriune a spectrului electromagnetic (de la microunde pn la ultraviolet). Fiecare domeniu este observat cu ajutorul unor captori/senzori adecvai n funcie de natura obiectelor i fenomenelor supuse cercetrii.

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

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 cunotinelor 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; intensitatea radiaiei incidente;________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETECIE

10


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

Fig. 2 Domeniile spectrului electromagnetic

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 (fig.1). Efectele atmosferei asupra nregistrrilor aeropurtate i spaiale asupra pmntului pot fi grupate n patru categorii principale: difuzie, absorbie, refracie i turbulena. Dintre acestea difuzia constituie efectul dominant n marea majoritate a situaiilor. n orice caz, pentru o nelegere corect a mijloacelor pe care teledetecia le pune la dispoziia operatorilor, trebuie s fie cunoscute n mod corect efectele interaciunii________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETECIE

11


radiaiei electromagnetice n atmosfer i rolul acesteia, inndu-se seama de natura fenomenelor i obiectelor urmrite. n practic, analiza acestui subiect trebuie s se fac n mod difereniat, 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 interdependenele dintre acetia. Importana real a efectelor factorilor perturbatori asupra procesului de teledetecie depinde de natura senzorilor utilizai i de rezultatele urmrite. Ca atare, au fost evideniate 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 instrumentaia adecvat, precum i metodologia sau tehnologia de calibrare a acestor filtre perturbatoare s fie prezentate n mod sumar n aceast lucrare. 2.2. Corpul negru, Soarele, Pmntul, surse de radiaie Corpul negru este un iradiator perfect care emite toata energia absorbit. n echilibru termodinamic radiaia 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 frecvene mai mari de 100Hz (=3 mm) se poate utiliza aproximaia Rayleigh-Jeans: B (,T) = 2KT/4. W.m-2. sterad1. Hz1 Se demonstreaz astfel c exist o relaie liniar ntre intensitatea radiaiei i temperatura absolut pentru o lungime de und cunoscut. Radiaia solar constituie, incontestabil, sursa de energie cea mai importanta pentru msurare n teledetecie. Radiaia pe care o emite Soarele corespunde aproximativ cu cea a corpului negru (59ooK - 6oooK), dar numeroase fenomene specifice mediilor strbtute de und (prezena apei sub diferite forme de agregare, atmosfera,________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETECIE

12


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

Fig. 3 Radiaia solar i interaciunea sa cu atmosfera

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


13


Fig. 4 Spectrele radiaiei solare i terestre

n afar de sursele naturale de radiaie electromagnetic, n practic se folosesc i surse artificiale, create de om denumite surse radiometrice. Acestea au o importan foarte mare n teledetecie deoarece constituie baza sistemelor active de captori/senzori (emitoare dar i receptoare de radiaie electromagnetica). Este cazul radar-ului care genereaz radiaia, iar apoi nregistreaz micrile i modificrile survenite n structura semnalului dup ce radiaia a interacionat cu mediul. 2.3. Factori limitativi n teledetecie Dup cteva decenii de evoluie spectaculoas, teledetecia pare, nc a fi o tehnic extrem de general, dezvoltarea sa, precum i principalele sale aplicaii plasnd-o lng celelalte tiine i tehnici aplicative de avangarda aprute in secolul trecut. Trebuie ns pstrate precauiile necesare, deoarece exist limitri fizice dar i restricii de aplicare (acestea din urm din ce n ce mai mici) ale acestei tehnologii. Limitrile fizice sunt legate esenial de fenomenele fizice susceptibile de transferul informaiei de la obiect la captor. n acest sens, sunt luate n considerare n cadrul procesului de teledetecie : radiaiile electromagnetice, cmpurile de for electrice, magnetice i cmpul gravitaional, vibraiile acustice, vibraiile mecanice, particule perturbatoare 2.4. Atmosfera - mediu perturbator


14


La traversarea atmosferei, radiaia solar este supus unor perturbaii care depind de lungimea de und proprie. Aceste perturbaii sunt datorate absorbiei i emisiei mediului precum i difuziei, difraciei sau refraciei atmosferice (Fig. 5).

Fig. 5 Perturbaii atmosferice

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

Fig. 6 Transmisia atmosferic


15


Dup cum se poate observa, atmosfera este opac ncepnd cu cele mai scurte lungimi de und corespunztoare razelor gamma i X pana la circa 0,35 (ultraviolet foarte apropiat de vizibil). Pornind de la 0,4 atmosfera prezint ferestrele de transmisie amintite mai sus, nainte de a deveni opac ntre 14 i 1 mm. n fine, nveliul atmosferic devine penetrabil de la 1 mm la 5 cm lungime de und pentru a ajunge total penetrabil pentru toate lungimile de und mai mari. Trebuie amintit ca ionosfera introduce limitri suplimentare pe care le vom aminti ntr-un paragraf urmtor. Transparena 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 funcie de diferitele lungimi de und. Vara, coeficientul de transparen scade semnificativ n vizibil, pentru infrarou variaiile fiind mult mai mici. Totui, poate s apar o mrire a luminozitii generale datorit difuzei luminii n atmosfer. Valoarea vlului atmosferic depinde de grosimea optic a atmosferei, de distan zenital a soarelui i de direcia de vizare, de capacitatea de reflexie a peisajului aerian, precum i de forma sub care se manifest difuzia n atmosfer. Principalele mijloace pentru nlturarea sau slbirea efectului voalului atmosferic asupra nregistrrii, sunt dispozitivele optice suplimentare ataate captorului, numite filtre. Acestea sunt poziionate n faa instrumentului optic instalat pe platforma satelitar. Un al doilea mijloc de compensare a efectelor atmosferice este alegerea judicioas a benzilor spectrale. Principala sarcin a filtrelor de culoare este aceea de a absorbi razele de lumina, reflectate i difuzate de ctre atmosfer. Datorit faptului c radiaiile electromagnetice corespunztoare domeniului albastru, violet i, n parte, ultraviolet, nu iau parte la formarea imaginii din cauza reflexiei i difuzrii lor de ctre atmosfera este necesar utilizarea filtrelor optice compensatoare colorate sau a detectorilor adecvai . 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 prezena anumitor particule, fie solide fie produse prin condensarea vaporilor de ap, care provoac difuzarea luminii n atmosfer afectnd claritatea aerului. Mediul acesta tulbure imprim i obiectului de fotografiat aceeai caracteristic, adic reduce contrastul detaliilor obiectului de fotografiat. Acest mediu alterat poart numele de vl atmosferic i are drept cauz prezena 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 puine impuriti i lumina solara este difuzat n special de ctre moleculele de gaze, predominnd radiaia albastr ; cnd aerul conine multe impuriti (praf, fum, .a.), iar razele corespunztoare diferitelor zone ale spectrului sunt reflectate i difuzate disproporionat.________________________________________________ Alexandru Badea - NOTE DE CURS TELEDETECIE

16


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


17


1,4; 1,9; 2,7; 3,2 i 6,3. Pentru bioxidul de carbon benzile principale de absorbie 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 corelaie cu o banda de absorbie foarte puternica a bioxidului de carbon situata la 15. n domeniul hiperfrecvenelor atenuarea introdus de gazele atmosferice este constanta i este cauzat, n principal, de absorbia moleculara a vaporilor de apa i a oxigenului. n acest caz acioneaz doua mecanisme: absorbia de rotaie moleculara (vaporii de apa la 1,63 mm i la 13,5 mm iar ozonul la 27 mm); absorbia spectrala paramagnetica (oxigenul molecular la 2,5 i la 5 mm). n compoziie pur atmosfera nu are influene negative n propagarea lungimilor de und mai mari de 2 cm. Totui, perturbaiile meteorologice duc la modificri n structura fizic a atmosferei i deci radiaiile cu lungimi de und mai mari de 2 cm vor avea un comportament mai greu de urmrit. 2.4.2. Difuzia atmosferic Constituia granular a atmosferei (ncepnd cu moleculele de gaz de baz pn la picturile de ap i praful din atmosfer) provoac difuzia radiaiilor electromagnetice. Difuzia poate fi studiat comparnd mrimea relativ a particulelor cu lungimea de und a radiaiei. n practica se iau n considerare trei cazuri considerate importante: cazul dimensiunilor neglijabile ale particulelor fa de lungimea de und, cazul dimensiunilor comparabile ale particulelor i lungimii de und, cazul dimensiunilor mari ale particulelor fa de lungimea de und. Primul caz corespunde lungimilor de und din domeniul vizibilul, al doilea caz este ntlnit n prezena vaporilor de ap i aerosolilor, n timp ce al treilea caz se ntlnete din cauza particulelor de praf, picturilor de apa i cristalelor de ghea. n primul caz procesul de difuzie este cunoscut sub numele de difuizie Rayleigh. Teoria generala a acestui fenomen arat c difracia este proporionala cu -4; Fenomenul explica culoarea albastra a cerului i arata ca unghiul sub care sunt difractate razele are o distribuie specific. Atunci cnd ne aflam n de-al doilea caz, procesul de difracie este cunoscut sub denumirea de difracia lui Mie. Dac diametrul particulelor este mult mai mare


18


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

Curs Teledetectie 2011-2012 v1

Documents

Transcript of Curs Teledetectie 2011-2012 v1

98173449 Introducere in Gis Si Teledetectie

Evaziunea Fiscala V1.doc

Cia4cbk v1 Copy

Scrisul copilului, v1

PAOP Programe Si Aplicatii de Teledetectie

Teledetectie Curs 2

Teledetectie. Notiuni generale, Ed. Credis, Bucuresti.

72893308 Teledetectie Si Fotointerpretare Geografica

Alexandre Dumas-Conjuratii v1

Ethernet v1

subiecte teledetectie

Teledetectie ciubuc

Benzile Landsat Si Combinatii Teledetectie

IMPORTANTA TELEDETECTIE

CAPITOLUL III v1

Curs Teledetectie 2012-2013

Calendar 2014 Mobilitate v1

Addendum Teledetectie 24.01.2013

Curs Teledetectie 2011-2012 v1

Transfer radiativ si sensori pentru teledetectie